“悟空”发现暗物质？

　　来源：掺望公众号


新华社贺萌绘制

　　《Nature》杂志北京时间11月30日在线发表了“悟空”取得的最新成果：

　　发现之一：“悟空”首次直接测量到了电子宇宙射线能谱在1 TeV处的

拐折

，为判定部分电子宇宙射线是否来自于暗物质湮灭起着关键性作用

。

　　发现之二：宇宙线高能电子约在1.4TeV附近呈现出尖锐的能谱，
暗示了暗物质粒子存在的可能的新证据

　　“悟空”的新收获

　　《掺望》记者 /扈永顺

　　北京时间11月30日，Nature杂志（《自然》）在线发表了暗物质粒子探测卫星“悟空”（DAMPE）取得的最新成果。

　　“悟空”在轨运行的前530天，共采集了约28亿颗高能宇宙射线，其中包含约150万颗25GeV（1GeV=10亿电子伏特）以上的电子宇宙射线。基于这些数据，科研人员成功获取了目前国际上精度最高的电子宇宙射线探测结果，并暗示了暗物质粒子存在可能的新证据。



　　“悟空”的火眼金睛

　　“通过探测暗物质粒子湮灭后产生的看得见的普通粒子来探测看不见的暗物质粒子，由于暗物质粒子产生的信号很微弱，所以需要高能量分辨、高空间分辨、高统计量、低成本的高能粒子望远镜。”

暗物质卫星工程首席科学家、中科院紫金山天文台副台长
常进
介绍。

　　暗物质粒子探测卫星“悟空号”正是瞄准这个方向，在宇宙线和伽马射线辐射中寻找暗物质粒子存在的证据。“悟空”卫星在“高能电子、伽马射线的能量测量准确度”以及“区分不同种类粒子的本领”这两项关键技术指标方面世界领先，尤其适合寻找暗物质粒子湮灭过程产生的一些非常尖锐的能谱信号。

　　“悟空”看到了什么？

　　发现之一：“悟空”首次直接测量到了电子宇宙射线能谱在1 TeV（1 TeV=1万亿电子伏特）处的拐折，为判定部分（能量低于1 TeV）电子宇宙射线是否来自于暗物质湮灭起着关键性作用。


1.4 TeV处红色突起部分呈现出尖锐能谱

　　“暗物质湮灭时候，两个粒子碰到一起会产生电子、伽马射线的异常能谱段，这一能谱段会出现拐折，即电子流量突然降低，这一拐折跟暗物质有多大的关系？不同的模型预言的拐折具体行为不一样，但都预测有拐折，现在这一能谱拐折能够百分之百确认存在。”
暗物质卫星工程科学应用系统副总师范一中
解释。

　　中科院国家空间科学中心主任吴季认为，“美国费米卫星、阿尔法磁谱仪设计的观测能段只有几百个GeV，再高能段就置信度不高了，但积累的很多观测数据表明，在接近一个TeV时已经发现一些异常，‘悟空’正好弥补这一不足，在TeV以上开辟了一个新的窗口，就像进入了无人区。”

　　发现之二：宇宙线高能电子约在1.4TeV附近呈现出尖锐的能谱，暗示了暗物质粒子存在的可能的新证据。

　　专家认为，电子宇宙射线能谱在1.4 TeV处似乎存在一个“尖锐结构”，对它有两种解释：

　　1、可能预示着宇宙中存在“质量为1.4TeV左右的新粒子”

　　2、或者是“尚不为人知的单能态TeV粒子加速器”

　　因为置信度不够，这个尖锐结构的电子能谱没有被确认，现在回答这是否是暗物质为时尚早。

　　专家认为，这也有可能是其他天体物理现象，例如脉冲星造成的。“现在我们更关心1.4TeV的这个数据点。天上会不会有类似加速器一样的天体现象把电子加速到这么高的能量？或许是脉冲星造成的，这也是很重要的发现，宇宙中还能加速出这种东西，是很奇怪的现象。”范一中解释，如果这是天文现象，也是从来没有人想到过的重大新发现。

　　对于“悟空”团队来说，最重要的是收集到足够的数据来确认是否有这个能谱结构。目前“悟空”卫星运行状态良好，正持续收集数据，一旦该尖锐能谱结构得以确证，将是粒子物理或天体物理领域的开创性发现，专家对此充满期待。

　　新闻链接：暗物质是什么？

　　当天文学家发现我们的太阳系围绕银河系中心旋转的速度太快时，不得不设想，在银河系中除了可见物质之外，一定还有其他看不见的物质，他们合在一起的引力拉着太阳，使其不至于由于速度过高而往外飞，这些看不见的物质就被暂时称为暗物质。

　　“暗物质的存在已获大量天文观测和理论研究的支持，但其不属于粒子物理标准模型中的已知物质，理解暗物质属性是当代物理学面临的一大挑战。”
中科院院士吴岳良
介绍，探究暗物质的物理本质是目前国际上粒子物理和天体物理领域的最重大问题之一。

　　
暗物质卫星工程首席科学家、中科院紫金山天文台副台长常进
向记者介绍，暗物质和暗能量占当今宇宙总能量密度的95%，暗物质粒子具有不发光、相互作用弱，长寿命、质量大等特点，天文观测表明宇宙中的暗物质是人类目前熟悉的普通物质的5倍。

　　根据我们已知的物理规律，来自宇宙空间的粒子能谱（能谱指的是电子数目随能量的变化情况）有其特定的分布，其分布规律是逐渐下降的。因此，如果在太空中确定某一个方向观测，从那个方向过来的高能粒子会随着能量谱段的升高越来越少。如果出现异常，必然有着新的物理原因。

　　根据目前理论物理学家的解释，如果暗物质粒子相互碰撞并湮灭，将转换为高能电子。那么到空间去精确地探测高能电子能谱，就可以发现暗物质存在的蛛丝马迹。

　　“悟空”的硅阵列探测器是怎么诞生的

　　《掺望》记者 /扈永顺

　　“悟空”由四个探测器组成，分别是塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、BGO能量器和中子探测器


项目骨干成员在硅阵列探测器前合影（从左到右）： 张飞、汪锦州、龚轲、王焕玉、彭文溪、吴帝

　　“‘悟空’在轨的健康稳定运行、本次科学成果的发布，都是对我们多年来攻坚克难、夜以继日努力工作的最好回报。作为该项工程研制队伍的一员，非常荣幸也非常激动。”
暗物质粒子探测卫星硅阵列探测器分系统主任设计师彭文溪
在得知“悟空”首批科学成果发布后，高兴地与大家分享这份“收获”的喜悦。

　　殊不知，这份喜悦背后，对彭文溪和
他的导师王焕玉研究员
来说，有常人难以想象的压力。在中国科学院高能物理所，记者见到了两位专家，年届63岁的王焕玉研究员已经鬓发花白，而年仅35岁的彭文溪副研究员也因这一项目早生华发。

　　“当时压力是很大的，我们两个人顶着上面领导的压力，也顶着工程进度的压力，说实话，那时候我们几乎都快崩溃了，每次开卫星工程调度会都等着‘挨骂’。”王焕玉坦言，暗物质卫星是他在参与航天工程的二三十年中，碰到的最棘手的项目。

　　“
一般卫星进入初样阶段很少修改设计方案，但为了更好地实现科学目标，
2013
年初的时候，团队决定修改硅阵列探测器方案

，并且引入国际合作团队。
”彭文溪告诉记者，从2013年重新设计方案到2015年底发射只有三年时间，在这么短的时间内，要领导一个国际合作团队，为这样一个新的探测器重新设计方案并研制出上天的产品，当时很多专家认为这是不可想象的事情。在首席科学家的鼓励和支持下，彭文溪团队硬着头皮接受了挑战。

　　记者了解到，硅阵列探测器是一个构成复杂、功能强大、高度集成的系统。首先，它包含了73728路精密的硅微条探测单元，每路微条只有一根头发丝粗细，要紧密拼接成12块、每块约0.6平米的探测器阵列，对装配工艺有着极为严格的要求。肉眼看时每块探测器如光滑的镜面，在显微镜下才能看到之间的连接线，工艺极其复杂。

　　同时，它还配备了一套“超强大脑”――读出电子学子系统，不仅可以同时收集、处理7万多路信号，还具备供电、状态监控、通讯等功能。虽然硅阵列探测器系统复杂，但整体功耗不能超过85瓦，平均一个通道才1.1毫瓦，作为一个新的航天产品来说，其设计和研制难度可想而知。

　　“我们的研制计划是按照整个卫星工程的时间来定的，说白了就是立下了军令状，就必须按时完成产品的交付，不然就会拖整个工程的后腿，我们副主任设计师张飞在设计阶段，曾因为压力太大，在办公室呆了好几天都没回家。”彭文溪感慨道。


彭文溪向记者展示硅阵列探测器结构件

　　“悟空”由四个探测器组成，分别是塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、BGO能量器和中子探测器。在正样飞行件交付前，彭文溪团队一直处于工程进度垫底的状态。有人开玩笑说，暗物质卫星能不能按时发射，就看硅阵列探测器啥时候交付了。这句玩笑话对于彭文溪队伍的每一个成员来说却是沉甸甸的压力。

　　人造卫星的研制一般分为方案阶段、初样阶段、正样阶段、发射应用四大阶段。2013年春天，别的探测器分系统都开始进入初样研制生产阶段，而硅阵列探测器刚完成初步设计；2014年秋天，其他分系统都由初样转入正样研制阶段，而彭文溪团队一边要值班继续完成初样试验，一边还要组织开展正样研制工作。参加整星力学稳定性测试时，另外三个探测器是用的初样，而硅阵列探测器只是使用了没有探测器功能的“结构件”参加试验。做热真空试验时，硅阵列探测器也只能“缺席”。

　　“这就好比一场400米游泳比赛，别人已经游出100米，我们才入水，一直处在最后一名，所以没有理由不夜以继日、加班加点奋力追赶。”彭文溪回忆。

　　压力并不止这些，因为硅阵列探测器是与瑞士日内瓦大学和意大利佩鲁贾大学共同合作，需要双方不断的沟通交流，期间也出现了各种意想不到的困难。到了做探测器正样时，
因为国外机构改进了制造工具，意外导致了探测器失效，王焕玉、彭文溪也多次到国外监督工程进度。

　　
探测器正样做好，做热真空实验时却又出现了意想不到的难题。
“需要降到零下30度时进行试验，当时国外试验仪器温度降不下来，也很难做到真空状态，试验了两遍都不行，当时时间也紧张，我联系了航天5院的机器，回国把试验做成功了。”彭文溪说，那时他在国外自己拍板将探测器运回国内试验，虽然对试验能成功与否倍感压力，但他感受更多的是肩上沉甸甸的责任。

　　作为三度参加嫦娥工程的“老兵”，彭文溪深刻地体会到航天项目的成败，质量才是关键。在研制过程中，他反复提醒团队成员，一定要坚持“质量第一”原则。在大家的共同努力下，硅阵列探测器飞行件研制进展非常顺利，没有一天拖延，在2015年5月顺利完成交付。”

　　2015年12月17日，王焕玉、彭文溪在酒泉卫星发射基地见证了“悟空”的发射，像很多参研人员一样，他们头天晚上也难以入眠。“发射成功后大家非常高兴，当时我是既激动也紧张，因为很快就要看我们载荷的表现了。”彭文溪说。

　　2015年12月20日“悟空”的科学载荷在轨陆续顺利开机，并开始科学数据采集，至今已连续工作700多天。

　　最后，彭文溪告诉记者，这次科学成果的发布，只是拉开了一个序幕，未来“悟空”将要继续运行至少1年，之后还会根据卫星状态开展延寿工作，届时将会积累到更多的数据，提供给科学家分析，开展相关研究工作。作为载荷研制单位，他们将为“悟空”硅阵列探测器未来在轨的正常运行提供技术支持，也会积极参与数据分析。