暗物质粒子探测卫星巡天两年
“悟空”获最精确高能电子宇宙射线能谱
本报记者 李大庆 张梦然
暗物质探测又有了新的进展。伦敦时间11月29日，《自然》杂志在线发表了中国科学家的一项研究成果：利用“悟空”卫星获得了世界上最精确的高能电子宇宙射线能谱，这将对判定能量低于1TeV（1TeV=1万亿电子伏特）的电子宇宙射线是否来自于暗物质起到关键作用，并有可能为暗物质的存在提供新证据。
暗物质问题是粒子物理和宇宙学的核心问题之一。暗物质不发光，不发出电磁波，从来没有被直接“看”到过。中科院院士吴岳良说，根据最新天文观测结果，宇宙是由27%的暗物质、68%的暗能量和5%的普通物质组成的。对于神秘的暗物质，科学家迫切想知道它到底是什么，对它们的研究很可能会引发科学上的革命。
2015年12月17日，暗物质粒子探测卫星“悟空”发射成功，这是中科院空间科学战略先导专项的首发星。“悟空”卫星首席科学家、中科院紫金山天文台研究员常进说，“悟空”卫星是基于暗物质粒子湮灭或衰变的假设（即暗物质粒子的湮灭或衰变可以产生各种正、反粒子，这些粒子在太空中传播就成了宇宙射线和伽马射线的一部分）而工作的。“悟空”卫星便通过收集高能宇宙射线粒子和伽马射线光子，并分析其能谱和空间分布来寻找暗物质粒子存在的证据。
“悟空”采用了紫金山天文台自主提出的分辨粒子种类的新探测技术方法，实现了对高能（5GeV—10TeV）电子、伽马射线的“经济适用型”观测。“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。
早在“悟空”上天之前，国际上已有一些空间探测器在尝试搜寻暗物质。但由于探测器规模或设计方案的限制，它们的探测能区相对较低，分辨率和粒子鉴别本领也有限。而“悟空”采用了创新的设计方案，既可探测低能区，也能探测高能区，是世界上第一台能在空间观测直至10TeV能量电子和伽马射线的仪器。
现在“悟空”采集了大量高能电子宇宙射线，清晰地勾勒出电子宇宙射线在宽能量段的能谱行为，以高置信度观测到了能谱在TeV处的拐折行为，并且在1.4TeV能量处发现存在精细结构的迹象。
中科院紫金山天文台研究员范一中说，电子能谱在高能区突然出现拐折，一定是有什么“源”影响了它。现在我们不能确定就是暗物质影响了它，但如果能够证明影响它的不是我们已知的物质，那就很有可能是暗物质了。
据常进介绍，与以前的测量结果相比，“悟空”的能量测量范围比其他空间项目显著提高，打开了宇宙观测新窗口；“悟空”测量到的TeV电子的“纯净”程度最高，能谱的准确性更高；“悟空”首次直接测量到了电子宇宙射线能谱在1TeV处的拐折，其精确的下降行为对于判定部分电子宇宙射线是否来自于暗物质起着关键作用。当然，“悟空”的科学发现有待理论物理学家做进一步的分析阐释。
对于这次暗物质探测上的进展，常进兴奋地说，电子宇宙射线能谱在高能段出现了“引人瞩目的现象”。中科院院长白春礼则认为，“悟空”成果的取得，表明中国科学家已经从自然科学前沿理论的学习者、继承者、围观者，逐渐走到了舞台中央，中国科学家长期以来在基础科学前沿的投入和付出终于有了回报。
（科技日报北京11月29日电）
［本文转自《科技日报》2017年 11 月30 日第 1 版。］
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