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《科学大家》|悟空卫星重磅成果究竟"看"到了什么?

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发表于 2017-11-30 15:41 | 显示全部楼层 |阅读模式
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来源   新浪科技  http://tech.sina.com.cn/d/s/2017-11-30/doc-ifypceiq7899760.shtml

                                                                                                                        
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  出品 | 新浪科技《科学大家》
  撰文 | 常进  暗物质粒子探测卫星首席科学家、中国科学院紫金山天文台研究员

  (文章根据暗物质粒子探测卫星首席科学家、中国科学院紫金山天文台常进研究员在暗物质粒子探测卫星“悟空”首批科学成果新闻发布会上的报告整理而成。)
  很高兴在这儿向大家汇报一下暗物质粒子探测卫星、探测器的工作情况,以及目前首批成果的情况。

  暗物质粒子探测卫星是中国科学院战略先导专项空间科学的第一颗首发星。有几十个研究单位参加了工作,这里列出了与探测器相关的工作单位。

2.png

  在整个工程的研究阶段,有超过200个科学家和工程师参与。目前,有超过80个科学家在参与数据分析。

  为什么要寻找暗物质?
  现在地面和空间的大量观测表明,我们宇宙最主要的部分是暗物质和暗能量,人类只弄清了宇宙的百分之五。

3.png
当今宇宙的组分


根据天文观测表明,暗物质没有强相互作用,也没有电磁相互作用,这意味着它既不发光,也不反射光,也不吸收光,通过光学原理你找不到它。相互作用很微弱,暗物质是可见物质的五倍,长寿命、质量大,把暗物质的物理性质和标准模型里面的所有基本粒子相匹配,发现没有一个基本粒子能符合暗物质的物理性质。



标准模型中的所有基本粒子与暗物质粒子性质均不吻合


  这就意味着,如果找到了暗物质粒子,肯定会超出标准模型,导致物理学发生巨变,这就是暗物质探测意义这么重大的主要原因。

  如何寻找暗物质?
  国际上,已经在暗物质探测方面耗资数百亿美元。探测方式包括在加速器上探测暗物质粒子,在地下直接探测暗物质粒子,和在天上间接探测暗物质粒子。



探测暗物质粒子的三种方法


  我们的暗物质粒子探测卫星属于空间间接探测暗物质粒子,主要是到空间去探测暗物质的物理性质,弄清楚它的物理本质。
  暗物质本身不可见,但暗物质湮灭或者衰变了的时候会产生看得见的粒子,通过探测卫星探测看得见的粒子,可以探测看不见的暗物质粒子,叫间接探测法。
  由于暗物质粒子湮灭或者衰变时产生的信号很微弱,所以我们需要一个高能量分辨、高空间分辨、高统计量、低本底的高能粒子望远镜,也就是说要“看得清、测得准”。




  我们的团队在暗物质探测方面已经有20年的历史:1998年开始提出科学目标,1999年开始在加速器上验证我们的实验方法,2000年开始花了10年时间解决了所有的关键技术,2011年开始花了四年时间研制了一颗卫星,目前这颗卫星在天上已经工作两年。

  研制出了一颗“满分”卫星
  我们的卫星于2011年12月立项,2015年年底发射。整个研制阶段,我们一共花了四年,经历了三个阶段,研制了四套样机。


  方案阶段要论证探测器方案是否可行,包括卫星一体化是不是能行。做的电性件,也就是小型的暗物质粒子探测器,在地面证明能正常工作,然后拿到欧洲去标定一下,证明你的方法可行,才能进入初样阶段。

  在初样阶段研制了一套验证机,和后来真正的探测器是一样大的,验证探测器能正常工作,满足要求。然后我们才研制一套飞行件到天上去观测。
  最后正样阶段就是做真正上天的探测器。



2015年12月17号在酒泉卫星发射中心,“悟空”卫星成功发射。


  卫星的名字叫“悟空”,很多人好奇这是怎么来的。这是卫星上天前,在网上进行的征名。我们都觉得这是一个很好的名字,希望通过“悟空”的火眼金睛能够找到暗物质这个“妖魔鬼怪”。卫星的英文名字叫Dark Matter Particle Explorer,简称DAMPE。




  卫星上天三个月以后,科学院组织了一次评审,各项指标都满足评定要求,整星指标评定为100分。2016年3月,卫星交付中国科学院紫金山天文台,正式进入科学运行阶段。
  到目前为止,卫星在轨将近两年,所有的探测器性能和刚发射时一样,保持了100分的状态。

  “悟空”卫星都有哪些目标?
  暗物质粒子探测卫星主要是通过在空间探测高能粒子,实现三个科学目标。第一个最重要的科学目标是探测暗物质粒子,悟空卫星本身就是宇宙线和伽马射线望远镜,所以我们还可以做宇宙射线起源和传播加速方面的研究,这也是一个天文方面很重要的科学问题。




  在暗物质方面,暗物质卫星要找三个典型的信号。一个是伽马射线谱线,第二个是晕状分布的伽马射线,第三点是奇异电子能谱结构。这三个是暗物质的特征信号,它和其它的天体物理构成有显著的区别,找到这三个信号对研究暗物质特别重要。



伽马谱线、晕状分布伽马射线、奇异电子能谱结构


  暗物质卫星是一个望远镜,它测量天上所有的高能粒子,测量三个主要的物理量:能量、方向、电荷,还有卫星提供的时间。
  最主要的是把天上的高能粒子要分得很清楚,所以我们用“看得清、测得准”六个字来表达暗物质粒子的设计指标。
  看得清,就是所有的东西都分得很清楚;测得准,是所有的物理量要高分辨地测量,所以关键的物理量在设计时都是两种独立的测量,每一个物理量是用两种探测器测量,这样保证结果的高可靠性。

  “悟空”卫星的探测原理是什么?
  暗物质卫星是一个高能粒子和伽马射线望远镜,从顶部到底部一共有四种探测器,顶部是塑料闪烁体探测器,往下依次是硅阵列探测器、BGO量能器、中子探测器。




  每一个探测器都有不同的功能,四种探测器组合到一起,才能实现高分辨地观测高能电子、伽马射线和宇宙射线粒子。
  暗物质粒子探测卫星总共有75916路子探测器,可以说这是我们国家在天上飞行或者上天的电子学方面最复杂的一颗卫星。

  塑料闪烁体探测器是中国科学院近代物理所研制的,它的主要的功能是测量入射粒子电荷。我们知道天上的粒子多种多样,比如伽马射线不带电,电荷为0;电子带负电-1;正电子+1;质子是+1;氢氦锂铍硼,一直到铁,铁是+26,通过测量电荷就能把大部分粒子鉴别出来。




  粒子探测器的探测水平如何,可以用电荷分辨水平这样一个物理量来描述它。现在电荷分辨水平对质子来讲是0.13的电荷,对于铁来讲是0.32的电荷,这样就得出了地球上所有的元素天上都有高能粒子。这个0.13的电荷分辨水平和世界上所有的在轨卫星的最高水平相当,我们达到了世界上最高水平。

  塑料闪烁体探测器下方是一个硅阵列探测器,它的研制单位是中国科学院高能物理所领导的一支国际合作团队,包括瑞士的日内瓦大学和意大利的佩鲁贾大学,它的主要功能是测量粒子的方向和电荷。




  这个探测器的水平可以用位置分辨来表示,探测器位置分辨的精度达到了优于60微米,上图中的灰影是计算模拟的最高水平,和理论结果吻合的很好,这表明我们的探测器达到了国际上最先进的伽马射线望远镜的水平。

  在硅阵列探测器下方有一个叫BGO量能器的探测器,整个探测器1.4吨重,仅BGO量能器就一吨多重。它的主要任务是测量入射粒子能量和方向,并鉴别粒子的种类,是由中国科学技术大学和紫金山天文台联合研制的。

  BGO探测器里有一个世界上最长的晶体,有60公分长。


  在卫星立项之前,我们和硅酸盐所合作,花了几年的时间把这种晶体研制出来,效率高、费用低。这是目前在天上飞行最长的BGO闪烁晶体。




  那么BGO量能器的水平如何呢?在测量入射粒子的能量方面,能量分辨率达到了百分之一,这个是国际上最高水平,远远超过在天上飞的其它的卫星探测器。
  中子探测器是中科院紫金山天文台研制的,主要功能是用来鉴别粒子。我们知道宇宙射线的质子、重核都会和探测器作用产生大量的次级中子,而电子和伽马射线产生的次级中子数目要少一点,根据这一点我们可以来鉴别粒子。




  上图中,彩图的左下角是电子伽马候选事例,上方是本底。我们可以看到在TeV级别上,仅仅用中子探测器就能把它鉴别得很好。这在世界上是第一次用中子探测器在TeV以上用来鉴别粒子。我们发现这是一个很成功的方法。

  由于国内没有高能粒子加速器,所以我们这个探测器研制完成后,还要运到瑞士的欧洲核子研究中心,用加速器产生的高能粒子,模拟天上所有的高能粒子来验证我们探测器的性能、标定探测器。我们总共花了6个月的时间,测试了从质子、电子到伽马射线、重核等等,来验证探测器的性能,测试表明所有指标都满足后续科学需求。

  在探测器完成以后,为了保证交付卫星的时候75916路子探测器都正常工作,我们通过地面的宇宙线粒子又进行了长时间的测试,证明所有的探测器、软件、功能都符合要求,才进行了在轨交付。

  “悟空”卫星的在轨运行状况怎么样?
  “悟空”卫星于2015年年底发射,卫星的重量1850公斤,探测器重量是1415公斤,感谢中科院微小卫星创新研究院的工程师和领导们的支持,研制了这个高的载荷重量比的探测器。




  卫星的设计寿命是三年,但是根据现在的测试结果,所有的探测器工作完美,我们预计卫星真正在天上服役的时间要远远超过它的设计寿命。
  卫星每天绕地球15圈,平均每秒钟获得60个高能粒子,每天获得500万的高能粒子。发射到现在将近两年,卫星十分稳定,像塑料闪烁体探测器、BGO量能器、中子探测器,它的稳定性都优于0.5%,基本上随着时间都没变化。


悟空卫星在天观测情况


  “悟空”卫星的研制有多难?
  在研制卫星的过程中,最大的挑战是粒子鉴别。

  这颗卫星和国际上其它的卫星不一样的是,我们是要观测所有的高能粒子,而国际上的其它卫星功能都是专门的,比如伽马射线望远镜只观测伽马射线,高能粒子探测器只观测带电粒子。但我们要观测所有的粒子,不光是伽马射线,还观测带电粒子。

  天上的粒子情况很复杂,最大的情况就是每一种粒子的流量完全不一样。以高能宇宙射线的主要成分——质子来说,它的流量要比电子高1000倍,要比伽马射线高100万倍,因此你要观测伽马射线必须要把质子本底至少降低2000万倍。打个比方来讲,在一个2000万的大城市要去寻找20个人,不能弄错一个人,这是一个难度很大的事。

  但我们的探测器由于一些特殊的设计原理和工程师们的工程措施,让工作几乎完美了。



上图是原始数据,我们的电子和质子区分得很清楚。


  根据这张图,我们可以计算出来本底只占2.3%信号流,这是世界上堪称效率最高、本底最低的探测器,既让我们测得准,又让我们看得清,因为每种粒子都分布得很清楚,要看得清。

  上图是我们获得的伽马射线图。这上面有100多个天体的伽马射线源。用这张大图表明的是,我们探测器的粒子鉴别本领很完美。
  为什么这么说?刚才我们提到,伽马射线的流量只有宇宙射线质子流量的百万分之一,你要探测伽马射线,必须要把宇宙射线本底减掉。只要一个探测器或者小探测器不工作,这个宇宙射线带电粒子会从坏的这个小探测器吸入进来。宇宙射线的分布是各向同性的,每个地方都有。但伽马射线的分布是一个银河系的盘状,你可以很清楚地看到中间一个盘状,这就证明我们的伽马探测很准确,本底很低,说明我们的粒子鉴别很有效果。

  第二个挑战,是100万倍的动态范围。
  “悟空”卫星希望通过观测GeV到10个TeV以上的高能电子和伽马射线来探测暗物质粒子,要求单个探测器的动态范围达到100万倍。


  这个是个物理概念,简单来讲,就是把“悟空”卫星的“眼睛”作为人的眼睛来看的话,你要看到一个2米高的篮球运动员,同时还能看到他身上最小的细胞,一般来讲是只有2微米的血小板。这是一件难度很大的事情。

  我们为了解决这个问题,基本上花费了十年时间。最后得到了中国科学技术大学几位退休的老教授和国内相关单位的支持,解决了这个问题。
  为了电路板满足100万倍的动态范围,这两位教授花费了两年的时间,得到了30个不同版本的电路,最后选择了一个最好的电路用在卫星上。后面光电倍增管读出的线路板只有1块硬币的大小。不光这样,测试结果也要满足要求,所以我们在地面做大量的实验,在加速器上做大量的实验,包括在空间做标定实验,结果证明动态范围和信息几乎完美,达到了设计要求。

  所以,总结一下:“悟空”是世界上第一次在空间观测TeV上的波段,这就相当于打开了宇宙观测的新窗口,因为不同的波段反映了不同的物理构成。
  打个比方,你用眼睛去看普通相机拍出来的照片,是一个样子;你到医院照X光,看到的是另外一幅图像;用微波照,又是另外一幅图像。不同的图像反映了不同的物理构成,都是你,但反映了你不同的情况。

  所以,打开了新的观测窗口以后,我们能够看到新的物理现象。而且,打开窗口不光是要看,还要看得清、测得准。刚刚提到,我们的卫星有世界上效率最高、本底最低的探测器,这样证明我们看得清;实现电荷测量、能量测量、方向测量的指标,基本能够达到了国际最领先的水平了,这表明我们测得准。

  “悟空”在宇宙中,都“看”到了什么?
  到目前为止,我们在天将近两年,全天扫描了4次,获得了超过35亿的高能粒子。

  上面右图的横坐标是时间,纵坐标是粒子数目,每天在稳定地增长,如果有一天仪器出了问题,它就不是一条直线,它就要掉下来,所以这个直线你看稳定在那,就证明我们在天上没有浪费一分钟,所有的时间都在正常地工作。



5TeV的高能电子


  这是我们在天上看到的一个5TeV的高能电子,也是人们在天上第一次直接看到这么高能量的高能电子。

  那么,“悟空”号究竟“看”到了什么呢?
  这一次发表的结果是基于530天的数据,从28亿个高能粒子里面选出了150万个高能电子,它观测的能段从25个GeV到5个TeV。



悟空号的电子宇宙射线能谱


  首先,“悟空”号的能量测量范围比世界上其他的空间项目显著提高,开辟了宇宙观测新窗口。AMS-02(阿尔法磁谱仪)是不到1个TeV,费米大概在2个TeV以下,但是我们接近5个TeV,这个窗口的延伸对科学特别重要。

  
“悟空”卫星工作530天得到的高精度宇宙射线电子能谱(红色数据点),以及和美国费米卫星测量结果(蓝点)、丁肇中先生领导的阿尔法磁谱仪的测量结果(绿点)的比较。


  第二个是测量到TeV电子的纯净度最高,也就是看得清,能谱的准确性最高。所以我们说“悟空获得了世界上精度最高的宇宙高能电子能谱”,它的本底最低,系统误差最小。
  它在物理上首次直接测量到了能谱在1TeV处的拐折,因为通过十多年的观测,在1TeV以下发现了宇宙高能电子的异常,有个超出情况。这个超出究竟是来自于暗物质还是特殊的天体物理构成,到现在为止还不是很清楚,只有把这个拐折测出来往下“掉”,才能判断它的物理源。我们测出了这个“掉”,澄清了TeV电子的能谱行为,为判断TeV以下的高能电子宇宙射线是否来自于暗物质湮灭提供了关键性的数据。

  就是说,以前国际上花了那么多钱,数百亿下去,看到了异常,这些异常是什么东西呢,这次通过我们这个数据基本能够判定清楚。
  科学观察有一个特殊性,本来就要做A,但往往发现的是B,“种瓜得豆”在科学上是常有的事情。

  我们在高能段发现了一个令人瞩目的现象,就是这一个点,流量突然上去又下来了,这个点是我们没有预见到的,它用现有的物理知识还没办法解释。



高能段出现了引入瞩目的现象


  我们的数据量到现在还不足以百分之百肯定我们发现了什么东西,但好消息是“悟空”号在天上工作几乎完美,还在继续收集数据,我们希望通过后面的数据,能够弄清楚在TeV能段这些新奇的现象究竟是怎么回事。

      《科学大家》专栏投稿邮箱:sciencetougao@sina.com  来稿请注明姓名、单位、职务



点评

海!外直播 t.cn/RxmJTRo 禁闻视频 t.cn/RJJZmvT “绝不照搬西方模式”西方模式是什么?不敢说.①新闻自由,不敢搬,因为害怕人民监督.②官员财产公开,不敢搬,因为害怕腐败曝光.③官员选举产生,不敢搬,因为害怕人民不   发表于 2017-11-30 22:44
 楼主| 发表于 2017-12-1 09:07 | 显示全部楼层
“悟空”火眼金睛 洞察宇宙奥秘
新浪科技  http://tech.sina.com.cn/d/s/2017-11-30/doc-ifypceiq7912014.shtml

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  中国“悟空”重磅新成果:我们可能首次看到了暗物质
  “悟空”卫星获得世界最精确高能电子宇宙线能谱

  来源:科学大院
  作者:袁强(中国科学院紫金山天文台)

  导语
  北京时间2017年11月30日凌晨2点,《自然》杂志正式在线发表中科院暗物质粒子探测卫星“悟空”(DAMPE)的探测成果:“悟空”卫星的科研人员成功获得了目前世界上最精确的高能电子宇宙线能谱。

  北京时间2015年12月17日,中国第一颗天文卫星——暗物质粒子探测卫星“悟空”(DAMPE)顺利升空。
  北京时间2017年11月30日凌晨2点,《自然》杂志在线发表了“悟空”的首篇科学论文。
  在两周岁生日之前,科学家们为“悟空”送上了一份大大的生日礼物。





发射前夕,通过征名活动,暗物质粒子探测卫星被命名为“悟空”(图片来自于网络)
  媒体纷纷以“中国科学家揭开暗物质之谜”“‘悟空’找到了暗物质!”这样的标题进行了报道。
  等等,似乎哪儿有点不对。


知识的贫穷限制了我的想象力(图片来自于网络)


  说好的暗物质粒子探测卫星呢?第一次发布的重大成果怎么是“获得了高能电子宇宙线能谱”呢?
  要回答这个问题,就要说到高能电子宇宙线能谱和暗物质探测的关系。

  一
  高能电子宇宙线能谱和暗物质有何关系
  首先,暗物质是什么?暗物质真的存在吗?
  暗物质(Dark Matter)的提出,和关于它是否真的存在的讨论,是一个很长的故事,不少文章都介绍过。因为今天的主角是“悟空”号,我们不得不忍痛将这段精彩的历史放入本文的“延伸阅读”。
  总之,对于物理学家们来说,暗物质最好是存在的,否则这个世界将更让人难以理解。
  为了回答暗物质是否存在这个问题,有一拨人选择了一条不太好走的路——在实验室里寻找暗物质。如果能够在实验室里找到暗物质,不但可以回答暗物质是否存在,还可以回答暗物质到底是什么。
  但是,要怎么寻找呢?
  显然也不能像无头苍蝇一样到处乱撞,那样成功的概率最低。我们仍然要从天文观测中去寻找线索。

  1
  为暗物质“画像”
  刑侦人员破案的时候,往往会根据现有线索为罪犯进行“画像”。同样的,根据天文观测结果,人们获得了两个关于暗物质的重要线索,为暗物质进行了“画像”。
  其一跟宇宙的大尺度结构相关。



宇宙中星系形成的大尺度结构长这样(图片来自于网络)


  大尺度结构的演化模式跟暗物质的速度这一属性相关,如果暗物质运动很快(快到接近光速),那么它们形成的结构应该是早期大、今天小(碎裂模式);反之则是早期小、今天大(增长)。

  观测结果告诉我们,宇宙结构是由小到大增长的,说明暗物质的速度应该比较小,称作“冷”暗物质。这一般意味着暗物质会比较重,才不容易获得大的速度。
  其二跟暗物质的丰度有关。丰度就是暗物质在宇宙中的占比。
  我们知道宇宙始于大爆炸,从高温高密的状态逐渐膨胀冷却至今天的状态。



大爆炸后的宇宙(图片来自于网络)


  在早期宇宙的高温高密条件下,发生着丰富的物理过程,其中之一就是粒子和反粒子的湮灭以及产生。这样的过程频繁地发生着,直到宇宙膨胀冷却至某个特定时刻,粒子和反粒子由于碰撞率变低而碰不到一块儿,这个过程停止,剩下的粒子和反粒子也将遗留下来。

  湮灭和产生过程何时停止呢?这个时刻取决于湮灭概率(术语叫截面),即粒子之间的相互作用强度。而这个停止时刻又将决定剩下的粒子多少。
  假设暗物质粒子及其反粒子在早期宇宙中经历了类似这样的过程,那么根据今天剩余的暗物质丰度,我们可以反推得到暗物质的湮灭概率,恰好在弱相互作用的水平。



子弹星系团,是宇宙中一大一小两个星系团相撞后留下的混合体。上面的图像是综合利用了哈勃太空望远镜、钱德拉X射线天文台和大麦哲伦望远镜所收集的数据合成的。其中,红色部分代表了由两个星系团相撞而产生的高温气体所辐射的X射线,蓝色则代表了分布在两侧的暗物质。(图:NASA等)


  这也可以解释为什么我们不能直接看到暗物质:因为它们的相互作用本来就很弱!
  根据这些结果,我们便可以勾勒出暗物质极有可能的模样:一种具有弱相互作用的大质量粒子。



电脑合成的数百万光年以外的太空中暗物质图(图片来源于网络,出处见水印)


  2。
  到宇宙中寻找暗物质的踪迹
  同样,跟刑侦人员破案一样,有了重点怀疑对象之后,我们便可以制定“抓捕”对策。
  科学家琢磨出了三套“抓捕”暗物质的方案,简称为“上天入地对撞”。
  “入地”指的是在地下设置探测靶子等待暗物质自投罗网。这个方案探测的是暗物质粒子和普通物质粒子之间的碰撞过程。因为空气中有许多宇宙射线粒子,会干扰探测,所以一般要“入地”以屏蔽掉宇宙射线本底。



PandaX实验组的研究人员准备进入中国锦屏地下实验室(图片来自于网络)


  “对撞”指的是在大型粒子对撞机上产生出暗物质粒子。因为大型加速器和对撞机的建造费时、费力又费钱,这个方案代价很高昂。



造价不菲的欧洲大型强子对撞机(图片来自于网络)


  “上天”指的是发射空间高能粒子探测器,探测暗物质湮灭或衰变的产物粒子,例如正负电子、正反质子、伽马光子等。因为这些粒子无法穿过地球大气层,所以需要“上天”。
  这里我们重点说一下“悟空”号所执行的“上天”。
  这种方法的基本思路很简单,虽然我们“看不到”暗物质粒子,但暗物质粒子在与暗物质粒子碰撞后,会产生我们能够“看到”的粒子,例如伽马射线、电子和正电子、质子和反质子、中微子等。通过探测“看的到”的,来探测“看不到”的。
  而且,暗物质粒子湮灭过程中产生的高能电子,反映在能谱上,会是一些奇特的特征信号。根据常规的天体物理过程,电子能谱是平滑变化的,而暗物质湮灭产生的电子谱则会在其对应的质量处呈现出一个截断,或者甚至有可能产生单一能量的电子,这样在电子能谱上可能会看到快速截断或者单能线谱一类的特征。
  如果我们的卫星探测精度足够高,是有可能揭示这些特殊结构的。这也是暗物质粒子探测卫星发布的第一个成果是获得高能电子宇宙线能谱的原因。
  目前,国际上的暗物质探测实验以“上天入地”为主。我国开展的暗物质探测实验包括暗物质粒子探测卫星“悟空”,锦屏深地实验“熊猫”(PandaX)和CDEX,并且参与了一些国际合作项目例如“阿尔法磁谱仪”等。
  在暗物质探测方面,我国虽然起步较晚,但发展迅速,已经站在了国际前沿,取得了很好的成果。其中“熊猫”实验在2016和2017年两度报道了其以世界最高灵敏度对暗物质搜寻的结果,虽然没有发现暗物质事件,但给出了对暗物质属性最为严格的约束。

  二、
  我们找到暗物质了吗?
  目前还不能这么说。但“悟空”正在用它的火眼金睛,洞察宇宙的奥秘。
  “悟空”号至今已稳定在轨运行接近2年,获取了35亿高能宇宙射线事例。
  由于其独创性的设计,“悟空”号卫星的花费比国际同类仪器少数倍到数十倍,但是却在电子/伽马的能量测量精度和质子-电子鉴别能力等指标上达到了国际最高水平,从而也成为国际上探测暗物质的利器。

  1
  “悟空”号发布了什么成果?
  “悟空”号卫星今日发布的第一个重大科学成果,就是给出了高能宇宙射线电子能谱最为精确的测量结果(图9)。



“悟空”号对宇宙射线电子能谱的测量结果(红点),以及与之前别的实验观测结果的对比(来自Nature, 2017)


  这一结果反映出了电子宇宙射线能谱的两个有趣特征:
  1) 电子能谱在大约1 TeV(TeV为万亿电子伏特,相当于可见光能量的一万亿倍)能量处呈现出一个拐折;
  2) 在能量约1.4 TeV处发现一个尖峰状精细结构。

  2
  “悟空”号的成果有何意义?
  得益于“悟空”号的高能量分辨率和低本底混入率,它的精确测量结果可以显著地改善我们对电子宇宙射线模型的认识。

  1)第一个能谱拐折,在之前的实验HESS中,曾观测到类似迹象,但由于误差很大,不能明确下结论。而空间实验Fermi-LAT的结果却表面没有拐折。“悟空”号的结果清晰无误地测量出了这个拐折。
  这个拐折说明银河系中电子宇宙射线源的分布特征出现了明显变化。
  因为电子在宇宙空间中传播的时候会通过同步辐射等过程损失能量,越是高能量的电子损失能量的速率越快。这意味着越是高能的电子,传播的范围越小。
  例如,对于1 TeV能量的电子,基本上只能传播3000光年的距离,而10 GeV的电子则可以传遍整个银河系。由于高能电子的传播范围小,在这个范围内,源的数目也很稀少,因此我们在地球附近观测到的高能电子很可能只是来自于个别源。而低能电子情况有所不同,那是大量源的平均效应。
  打个比方,就好像我们炖了一锅骨头豆子汤,如果把骨头切成和豆子一般大小,那我们随便盛一勺汤里面总会是豆子骨头都有。但往往骨头要大块很多,数量也不可能像豆子那么多,这个时候盛一勺可能有骨头也可能就没有骨头。

  2)第二个特征则是“悟空”号率先观测到的,之前的所有实验中都没有看到类似现象。可以说,1.4 TeV处的结构则是所有人都没有预期到的新现象!
  这意味着可能在宇宙空间中存在质量约1.4 TeV的新粒子,或许就是人们长期以来苦苦搜寻的暗物质粒子。
  另一种可能性是宇宙中存在某类独特的粒子加速器可以将电子加速到单一能量。要知道,此前只有在实验室中通过精细调节实验装置,我们才能够获得单能粒子束。我们猜测,脉冲星可能可以扮演这个角色。



脉冲星(图片出处见水印)


  脉冲星是恒星死亡后留下的一种遗迹,是一种极端致密、强磁场、快速转动的天体。脉冲星非常稳定的转动形成的感应电场或许可以加速出单一能量的高能电子。
  无论是哪种情况,这都将是粒子物理或天体物理领域的开创性发现!

  三、
  我们距离“找到暗物质”,还有多远?
  “悟空”号的首秀就发现了超出人们预期的新现象。
  不过,由于高能量粒子数量稀少,现在还不能完全排除是统计波动的影响。“悟空”号的当务之急是继续收集数据,提高统计量,以确切地验证该新结构的真实性。可以预计,再经过一到两年的时间,“悟空”号的数据将对1.4 TeV这个结构的真实性给出明确的结论。
  这里需要补充一点,很多人关心“悟空”号未来还要在轨运行多久、能收集到多少粒子。目前,“悟空”的工作状态十分稳定,每天平均收集500万个粒子,预计还将服役3年,理想状况下,我们将还能收集到50亿个粒子,届时我们将对许多问题给出清晰的说明。
  另一方面,“悟空”号的结果也给别的实验提供了一个潜在的目标,给出了参考指标。
  例如,未来的对撞机实验可以有针对性地对这个能量段进行设计;地下实验也可以试图提高对更重的暗物质粒子探测的灵敏度;别的空间实验可以验证“悟空”号的结果或者进行伽马射线等观测辅助检验该结果的物理起源(暗物质模型和天体物理模型会预期不同的伽马射线信号)。
  我相信,暗物质在不远的将来就会露出它的“庐山真面目”。

  ----延伸阅读----
  如同“幽灵”一般的暗物质,是从十九世纪进入人们视线的。
  有一句俗语叫“眼见为实”,很多事情如果亲眼所见了,我们就会乐意相信它、接受它。对我们所生存的宇宙,一开始我们也都抱着这样的观念去认识它。
  然而,宇宙真的就是我们所看到的这样吗?
  1
  “暗物质”的提出与证据
  我们从1845-1846年两个年轻人的故事说起。
  当时,人们知道太阳系有七大行星,行星绕着太阳做椭圆轨道运动,根据牛顿引力定律,我们可以精确地计算每个行星如何运动,包括行星之间的相互影响。对行星运动的观测也达到了相当精确的程度,而且观测和理论预期符合得相当好,一切事情看起来都很合理。
  然而,最外围的行星——天王星,它的运动似乎有点不那么完美,和理论预期相比较总有一些偏差。观测家认为,这个偏差已经远远大于他们的观测精度,他们不背这个锅。怎么办呢?当时就有人推测天王星外围可能还有一个未知的大行星,它的引力影响了天王星的运动。



英国天文学家约翰·柯西·亚当斯(左)和法国天文学家乌尔班·勒维耶(右)(图片来源于网络)


  英国天文学家约翰·柯西·亚当斯和法国天文学家乌尔班·勒维耶独立地计算得到了这个未知天体的轨道参数。



德国天文学家约翰·加勒(图片来源于网络)


  德国天文学家约翰·加勒获悉了这个事情,就将望远镜对准勒维耶预言的天区,不出意外,加勒果然发现了一颗新的行星——海王星。海王星的发现是牛顿力学的一次伟大胜利。
  类似的方法屡试不爽。



瑞士天文学家弗雷德·茨威基(图片来源于网络)


  如上世纪三十年代,瑞士天文学家弗雷德·茨威基和美国天文学家辛克莱尔·史密斯研究发现星系团中的星系也不按常理运动,比按照引力定律预期的运动速度快很多。他们推断,这些星系团里应该存在大量不发光的物质,即暗物质。
  到了六十年代,光谱观测技术的新进展使得人们对天体运动速度的测量取得了质的飞跃。以肯特·福德、维拉·鲁宾、肯·弗里曼等为代表的天文学家对星系的转动速度的测量取得重大突破。他们发现,星系里的物质绕着星系转动的速度随半径的变化(旋转曲线)也不服从牛顿引力定律所预期的越远越慢的现象,而往往是保持不变,甚至也有越远越快的情况。



理论上,银河系是这样动的(图片来源:ESO/L。 Cal?ada)




通过观测,发现银河系实际上是这样动的(图片来源:ESO/L。 Cal?ada)


  如果你看不出两者的不同,可以把它们放在一起看。


左为理论中运转状态,右为现实中的运转状态(图片来源:ESO/L。 Cal?ada)


  解决问题的办法仍然是:加暗物质!
  这里插一句话,维拉·鲁宾女士于2016年12月25日去世,我个人认为,学界欠她一枚诺贝尔奖。



维拉·鲁宾(图片来源于网络)


  时至今日,越来越多的证据表明宇宙中存在大量的暗物质,它们通过引力效应在黑暗中操控着那些发光天体的运动,让它们表现得桀骜不驯,却尽在暗物质掌中。
  而人们也曾以为暗物质之所以看不见是因为它们发光很弱,或者在可见光之外的波段发出辐射,只要造出足够大的望远镜,或者其它波段的电磁探测仪器,总会像逮住海王星那样发现它们的。
  事实上确实也部分如此。
  例如,星系团里存在大量的高温气体,它们的辐射集中在X射线波段,通过X射线望远镜人们很容易就看到它们明亮的辐射。然而天文学的观测及时地制止了这种天真的想法。宇宙的物质组分会影响宇宙的膨胀历程、元素合成、以及结构形成等一系列过程。通过对大爆炸遗留下来的一种称作微波背景辐射的东西,还有宇宙中轻元素的丰度,星系和星系团的分布等的观测,人们可以精确地测量出宇宙的组成成分:能发光的普通物质占比约5%,暗物质占约27%,暗能量占约68%(图18)。
  暗物质比我们熟知的普通物质多5倍左右,而且它们在本质上显著不同于普通物质!看来我们可能不得不接受这样一个事实:现代物理学建立起来的知识体系仅仅只能解释5%的宇宙成分,另外95%我们几乎是一无所知的。



天文观测对宇宙组分的测量结果。左图反映不同观测手段对宇宙物质组分和暗能量组分的能量密度观测结果(来自ApJ, 2012, 746, 85);右图为宇宙中普通物质、暗物质、暗能量的占比(图片来自PLANCK官网)


  不过,有的人仍坚持认为,并不存在暗物质。
  他们的理由是,目前暗物质存在的证据全都来自引力观测,万一是引力定律错了呢?

引力定律当然不会错得很离谱,至少在地球上,甚至太阳系里它们经受住了很严格的检验,否则我们不可能将卫星送上天,不可能精确地进行授时和导航。
  但是,需要暗物质来解释的奇特现象,都出现在很大的宇宙尺度,或者说很弱的引力场里。没有谁能保证,在那样的情况下,引力定律还能够百分百正确。
  于是,有些大胆的学者,担着“冒天下之大不韪”的风险,向牛顿和爱因斯坦的理论开起了刀。
  然而,很多这类的尝试难以称得上成功,它们往往头疼医头、脚疼医脚,通常只能解决某个或者某些个问题,不能对大多数天文观测给出统一的解释。另一方面,很多的修改让理论失去了其原有的美妙和自洽,也很难让人接受。
  对于物理学家们来说,暗物质最好是存在的,否则这个世界将更让人难以理解。
  面对这些争论,还有一拨人走上了“寻找暗物质”的道路,试图在实验室里找到答案。为了揭开它的面纱,人们已经投入了数百亿美元,虽然直到今天还未得到确定回答,但可以肯定,我们正一步步接近这神秘的“幽灵”。





 楼主| 发表于 2017-12-1 09:15 | 显示全部楼层
本帖最后由 zhangms 于 2017-12-1 09:17 编辑

Nature引以为荣: 17年后中国学者凭悟空真见暗物质?
新浪科技  http://tech.sina.com.cn/d/s/2017-11-30/doc-ifypceiq8008265.shtml

来源:知社学术圈

白春礼院长说,悟空的重大发现,显示中国科学家已经从自然科学前沿重大发现和理论的学习者、继承者、围观者,逐渐走到了舞台中央。
Nature的中国区科学总监更是说:谢谢“悟空”给Nature以机会

请看知社深度报道和独家专访:(1)一篇历时八年的Nature论文;(2)神秘的宇宙幽灵;(3)中国不再搭车;(4)究竟有没有探测到暗物质?



美东时间2017年11月29日,Nature在线发表中国科学院紫金山天文台领衔的暗物质粒子探测卫星科学合作组织 (DAMPE Collaboration) 最新研究成果。被誉为“悟空”的中国暗物质粒子探测卫星获得世界上最精确的高能电子宇宙线能谱,能量测量范围较丁肇中先生领衔的国际空间站上AMS02探测器以及美国的Fermi-LAT伽马射线空间望远镜有显著提高。因此悟空卫星首次直接测量到电子宇宙射线能谱在~1TeV处的拐折,如下图红线所示,反映了宇宙中高能电子辐射源的典型加速能力。而其精确的下降行为对于判定部分(能量低于1 TeV)电子宇宙射线是否来自于暗物质起着关键性作用!



图一 悟空所测高能电子宇宙线能谱

“悟空”是中国科学院空间科学战略性先导科技专项中首批立项研制的4颗科学实验卫星之一,是目前世界上观测能段范围最宽、能量分辨率最优的暗物质粒子探测卫星,于2015年12月17日在酒泉卫星发射中心由长征二号丁运载火箭发射成功。其核心使命是在宇宙线和伽马射线辐射中寻找暗物质粒子存在的证据,并进行天体物理研究,是我国大科学战略的重要组成部分。



图二 “悟空”暗物质粒子探测卫星

北京时间2017年11月27日,中国科学院在北京举行保密状态下的新闻发布会。白春礼院长在会上说:
今天是一个非常重要的日子,也许在人类科学发展的历史上,大家会记住今天。因为中国科学家已经从自然科学前沿重大发现和理论的学习者、继承者、围观者,逐渐走到了舞台中央。中国科学院、中国科学家长期以来在基础科学前沿的投入和付出终于有了突破。

而Nature中国区科学总监Gerstner博士更是谢谢“悟空”给Nature以机会:
What I do know that it is very exciting to be a part of China’s voyage of scientific discovery。 And I thank the Wukong team for letting Nature be a part

那么,中国科学家在暗物质粒子探测,有着什么样的缘起,又走过什么样的历程呢? 请看知社深度报道。



图三 暗物质粒子探测卫星首席科学家常进

一篇历时八年的Nature论文
现任暗物质粒子探测卫星首席科学家的常进,1984年至1992年在中国科大近代物理系获得学士和硕士学位,其后一直在紫金山天文台工作,学习,一待二十余年。90年代后期,还在寻找研究方向的常进,突然意识到,虽然人类已经观测了大部分的电磁谱,但高能电子、高能伽马射线,仍未在很高分辨的情况下被观测到,因为其流量非常微弱。1997年,美国宇航局在南极成立了ATIC(Advanced Thin Ionization Calorimeter,先进薄电离量能器)的科考项目,用于观测宇宙线。常进意识到,ATIC其实也可以用来观测高能电子。通过一年多的计算、实验,他最终说服了美国同行采纳这一提议。1998年,常进作为中国科学家加入ATIC项目组。



2000年底至2001年初,重达两吨的ATIC观测设备随长周期气球在南极升空,并在离地面37公里的高空完成了人类对高能电子的首次成功观测。结果显示,高能电子流量在300-800GeV能量区间远远超出了模型预计,而一个可能的(但非唯一的)解释,是这一突起来自于暗物质的湮灭。经过反复核实确证,以常进为第一作者的这篇论文,2008年在Nature发表,距离最初的发现,已过去八年!而曲线上那个漂亮的小突起,如下图所示,可以用Kaluza–Klein暗物质粒子湮灭模型完美描述。



想必大家都会好奇,这样一篇文章,为什么会历时8年? 2008年同期Nature刊登了记者对常进博士的专访,也问到这个问题。常进说:这实验太难做了,气球升空失败一次,就要一等两年!好在后来数据都确认了。常进告诉Nature,这可能是人类第一次测到暗物质的间接证据!



图五 常进Nature专访

那么,究竟什么是暗物质呢?

神秘的宇宙幽灵
早在1884年,英国大物理学家Kelvin就在一次演讲中提到,根据恒星围绕银河系中心运转的速度所估算出的银河系质量,和根据我们能看到的星星的质量,存在差距。他因此下结论:
any of our stars, perhaps a great majority of them, may be dark bodies

到了1906年,法国大数学家Henri Poincaré 在讨论Kelvin的工作时,首次用了dark matter这一词,沿用至今。



图六 根据可见质量所演算的星系速度远低于观测值,显示大多物质不可见

更多的天文观测在后面几十年不断显示,人类所能够看见的物质,不足以说明许多的天文现象,很多物质是我们看不见的。1933年,瑞士天文物理学家 Fritz Zwicky 根据Coma Cluster边缘星系的运转速度及亮度做出估算,可见星系不足以说明其快速运转速度,星系的实际质量是可见质量的400倍!这一估算虽然因用到现已过时的哈勃常数而高估算了一个数量级,但Zwicky确实预见到宇宙中大部分的质量是暗的,这也在1939年被 Horace W。 Babcock的观测进一步验证。



图六 天体引力对光线的折射所产生的透镜效应,暗示暗物质的存在

这些观测说明,暗物质是与我们已知物质属性截然不同的,既不发射电磁波,也不与电磁波相互作用,因此完全看不见,而且完全无法用标准模型中的基本粒子描述。但暗物质的存在,可以通过引力现象予以推测,如引力透镜等。模型显示,宇宙中仅4.9%的质能为我们现在所知的常规物质,剩下的是26.8%的暗物质和68.3%的暗能量。而暗物质更占总物质量的84.5%。问题是,暗物质从来没有被直接观测到过,因此目前仍然只是假设的存在。根据哈勃望远镜观测到的引力透镜所估算出来的暗物质分布,如下图所示:



图七 暗物质的分布

那么,我们究竟有没有可能探测到暗物质的存在呢?

中国不再搭车
于是回到了十几年前,常进在南极的那次重要实验。搭车美国宇航局的ATIC,常进凭借能够测量非常高能量的探测器,发现电子能谱在大家都认为计数率应该下降的能段出现了反常超出。这个发现引起了科学界的广泛讨论,到底是不是暗物质的蛛丝马迹呢?由于所获得的数据太少,置信度不高,因此无法完全确定。

2005年的一天,国家空间科学中心主任吴季走进常进的办公室。常进非常激动地给他看前面图四那条突起曲线:“如果我能够做一个更大的探测器,把它放到卫星上,我就一定能够断定它是不是暗物质湮灭产生的高能粒子”。这是12年前的一幕,有没有点阿基米德的意思?

我们知道,探测暗物质不外乎三种方式,一种是直接测量。由于暗物质粒子相互作用信号很弱,需要在地下进行,当前中国建有锦屏极深地下暗物质实验室,做这方面工作。一种是间接测量,主要针对暗物质湮灭所产生的常规粒子进行探测。第三种是通过对撞机试图产生暗物质。常进所提议的,属于间接测量。
后面的事情大家都知道了,暗物质粒子探测器最终立项并成功发射,由下图可以概括:



图八 中国暗物质粒子探测器发

展历程
暗物质粒子探测卫星的探测器由4部分组成,分别是塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、BGO量能器以及中子探测器。这个探测器有1.4吨重,其中最核心和最重的部分是锗酸铋(BGO)晶体量能器。



图九 上海硅酸盐所的BGO晶体

据介绍,中国科学院上海硅酸盐研究所有一个技术工人,可以拉出世界上最长的BGO晶体,从而制备全世界单元探测面积最大的探测器,可以大大提高探测效率!这样的晶体,暗物质粒子探测器用了308根!于是才有了Nature论文这么漂亮的数据,可以将电子和质子区分开:



图十 BGO探测器对电子(下)和质子(上)的区分

那么,悟空的火眼金睛,究竟有没有探测到暗物质呢?
究竟有没有探测到暗物质?
今天发表的这篇Nature论文,对此并没有下结论。而在11月27日的新闻发布会上,有记者问常进:您目前研究的置信度,对暗物质真实存在的支持度大概是多少?常进回答到:可以说有99.99%。但距离物理学上人们定义的“发现”还有点距离,需要再收集一些数据,让结果更加可靠!

在那天的新闻发布会上,紫金山天文台范一中教授和中科院理论物理研究所吴岳良院士也都对探测数据各自做了理论解读。吴院士的PPT标题直接为:发现暗物质粒子存在的可能的新证据!也就是说,DAMPE观察到的~1.4TeV 尖锐电子能谱暗示了暗物质粒子可能存在。吴院士介绍到,除非有新的机制,否则尖锐能谱的天体物理解释将不是合适的选项。


图十一  DAMPE观察到的~1.4TeV 尖锐电子能谱暗示了暗物质粒子的可能存在


范教授的PPT将这个尖锐能谱标注了出来。他说,当常进老师展示出悟空号的测量结果的时候,最吸引目光的地方应该不是那个拐折,而是这个点。去年4,5月份常进老师的电脑屏幕上展现出相关迹象的时候,我们是既激动,又担心。在那之后的一年里,紫台和中科大投入了大量的人力核查,几乎每个周末中科大的张云龙博士都要带队去紫金山天文台进行深入讨论。我们最后确信能量测量结果是可靠的。

可以预期,这些理论分析成果,将会陆续发出,知社将持续关注。
新闻发布会后,知社也采访了论文署名作者、紫金山天文台暗物质粒子探测卫星数据分析团队成员袁强研究员。

知社:袁博士好,首先祝贺这一重大成果。我们注意到2008年ATIC那篇Nature论文,运用暗物质模型对探测数据做了拟合。“悟空”这篇论文,似乎没有拟合具体的暗物质湮灭事件?
袁博:是的,本篇论文只是对数据的报道。理论学者将会另写文章专门讨论其背后的物理过程。
知社:好的。我们比较了2008年和最新这篇Nature文章的能谱数据。之前300-800GeV的那个突起,在新的数据中存在么,似乎不是特别明显,原因是什么呢?

袁博:这是一个很好的问题。简单的说,悟空的结果确实与之前ATIC的结果定量上存在差异。原因我们推测可能有二:一是ATIC的气球实验只飞行了两周,有可能是涨落,也可能有残余大气的影响;二是ATIC探测器本身还是比较薄,粒子鉴别能力不强,可能有本底混入。“悟空”数据中500-700GeV之间还是略有鼓包,但不如ATIC显著。
知社:在可以预见的未来,“悟空”有没有可能和LIGO一起,探测到暗物质湮灭的双信使事件,从而证明其存在,就像前段探测到双中子星并合事件一样?
袁博:LIGO的探测通常认为和暗物质没有关系,即使看到双黑洞,也不主要构成暗物质。一般来说暗物质不产生引力波。有人讨论黑洞作为暗物质的可能性,但争议很大,也有很多约束。主流观点认为暗物质不可能全由黑洞组成。

今天的这篇Nature论文署名DAMPE Collaboration, 由中国、瑞士、和意大利的科学家组成。其数据分析得到了国家重点研发计划、973计划、基金委、以及中科院百人计划的支持。中国合作单位包括中科院紫金山天文台、中科大、国科大、中科院近物所、中科院国家空间科学中心、中科院高能所、和香港大学。

发表于 2017-12-5 10:15 | 显示全部楼层
既然电子信号是暗物质湮灭或衰变的产物,那就必然涉及以下几个问题:1、按照定义,湮灭是正反物质之间的量子行为,而暗物质是不带电荷的,何为正暗物质?何为反暗物质?中性的暗物质之间湮灭的机理是什么?2、暗物质湮灭最初产物应该是高能伽马射线,再产生次级产物正负电子对,如果只探测到高能电子,而没有等量的正电子,那么必然违反了电荷守恒定律。3、如果是暗物质衰变,放出电子后,它自身必然成为带正电的某种重子,而所有的质量大于质子的重子是不稳定的,最终都衰变为质子,同时放出中微子或光子,因此,探测器还应该探测到相应能谱的中微子或光子流,而且意味着暗物质的数量在持续减少,质子数量在持续增加。

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