悟空卫星重大发现 暗物质的寻找迎来突破！

2017-11-30 02:15:11    2766次浏览

悟空卫星重大发现，暗物质的寻找迎来突破！暗物质粒子探测卫星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宽、能量分辨率的暗物质粒子探测卫星！如果新粒子是暗物质，是重大的突破；如果它不是暗物质，也是很重要的发现。因为它甚至不像暗物质那样被理论预测过。

“发现暗物质了吗？”11月30日，暗物质粒子探测卫星“悟空”公布了首批科学成果：目前国际上精度的电子宇宙线能谱。而这个问题，是“悟空”首先需要面对的。

对此，暗物质卫星首席科学家、紫金山天文台副台长常进的回答很严谨：只能说，我们找到了一些迹象，还没有百分百的“发现”。目前，“悟空”的健康状态满分，还在源源不断地收集数据。只有排除所有的其他可能，才能称得上“发现”。

不过，理论物理学家们已经对新的迹象感到兴奋。中国科学院大学常务副校长吴岳良院士解读道，在现有的理论机制下，天文物理并不能提供合适的解释。如果更多的数据证实了这个迹象，那么“悟空”很可能发现了一个标准模型以外的新粒子。

“悟空”发现电子能谱新结构，超出理论预期

暗物质粒子探测卫星“悟空”

中国科学院院长白春礼甚至给可能的新粒子准备了一个名字：CAS，即中国科学院的英文名缩写。“如果新粒子是暗物质，是重大的突破；如果它不是暗物质，也是很重要的发现。因为它甚至不像暗物质那样被理论预测过。”白春礼说道。

常进预期，等到明年的时候，更多的数据可能给我们带来更明朗的答案。

意料中的拐折

“悟空”的“火眼金睛”，本质上其实是高能量分辨、高空间分辨、高统计量、低本底的高能粒子望远镜。它尤其关注三种与暗物质有关的特征信号：伽玛谱线、晕状分布伽玛射线和奇异电子能谱结构。宇宙中的天体物理源，如脉冲星和超新星遗迹，都能产生高能电子。物理学家们猜测，暗物质虽然“看不见”，不参与电磁作用，但暗物质粒子可能会像普通粒子一样湮没为正负电子对，或者衰变为其他普通粒子。人类不能直接“看见”暗物质，却可以间接“看见”这些粒子。

为此，科学家们开始关注电子宇宙线能谱，即宇宙中不同能量的电子的数目情况。按照预期，能谱应该平缓下降，即能量越高的电子越少。探测数据发现，能谱却存在异常：没有按照预期的规律下降，而在接近1TeV(万亿电子伏特)出呈现更加快速的下降。

如果这种异常来自暗物质湮灭，那能谱在上升到一定位置，即暗物质粒子质量后，会出现一个陡峭的截断。天体物理源同样会造成能谱上的拐折，却是比较平缓的变化。

“悟空”发现电子能谱新结构，超出理论预期

0.9TeV处出现的拐折

以往的探测设备的探测能段没有覆盖1TeV以上的区域。2005，常进在中美合作的南极气球实验上发现了拐折的迹象。只是，测量的精度不高，系统误差较大，没有得到广泛的认可。

正因如此，美国的费米卫星、丁肇中领导的阿尔法磁谱仪，都以1TeV为核心探测区域。而悟空相比这些前辈的优势，在于世界宽的能段范围，和的分辨能力。

“悟空”的确在这个位置直接探测到了拐折。从图像上看，在1TeV之前的下降较为平缓，在1TeV之后的下降更为明显。暗物质卫星科学应用系统副总师、紫金山天文台研究员范一中解释道，这个结果，依然可以用暗物质模型解释，但也让简单的暗物质模型受到了挑战。

范一中举了个例子说，也许暗物质粒子并非直接湮灭为电子对，而是先湮灭为μ子，再进行衰变，这样的话，能谱变化的趋势就会更为平缓。总之，“悟空”的数据精度史上，也给理论物理学家们提出了更多的参数限制。

意料外的超出

1TeV出的拐折，置信度达到了6.6个σ。不过，在“悟空”提供的高能电子宇宙线能谱上，人们眼可能不会注意到这个拐折：1.4TeV处，有更为醒目的超出点。

范一中回忆道，2016年5月，常进的电脑上次出现了这个迹象：“我们既惊喜又担心。惊喜的是这可能是个新的重大发现的苗头。担心的是测量不够准确。”

日前，一项中微子实验项目引起了科学家的注意，因为在多个中微子实验项目中都检测到了疑似轻子电荷共轭-宇称破坏(CP violation)的迹象，这项发现将有望帮助科学家们解释一个重要的本质问题——为何我们的宇宙是由物质组成，而非反物质组成的？

直到目前，“悟空”仍在源源不断地收集新的数据，以用更多数据来排除统计上波动的可能性。不过，范一中强调，一旦这个超出被后续的数据确认，理论物理学家们面临的选择是不多的：“这个能量很高，速度只比光速慢十万亿分之一。由于粒子在宇宙中传播，能量损失很快，说明这个信号源距离地球很近。此外，信号源产生了准单能的电子谱。在地面上，科学家们可以利用对撞机、地调整参数产生类似的电子。在宇宙中，到底是怎么样的一个信号源呢？”

“悟空”发现电子能谱新结构，超出理论预期

1.4TeV处的尖锐能谱

吴岳良解读道，暗物质聚集在距离比较近的中等质量黑洞周围，就可以成为一个连续产生高能电子的信号源。它会呈现一定宽度的尖锐能谱，其宽度由源的距离决定。

据估计，银河系中大约有数百个中等质量黑洞，结合光子谱和光子通量的计算，满足相关条件的信号源候选者有6个。

除此之外，邻近的天体物理活动，比如脉冲星云或超新星遗迹，可以短暂地产生加速电子。电子冷却后在某个能量处截断，呈现一定宽度的尖锐能谱，其宽度由源的距离和寿命决定。

不过，从一些其他的限定条件来看，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。

也就是说，“悟空”发现的尖锐能谱，可能是暗物质粒子存在的新证据。

发现新粒子了吗？

回到文章开头的问题。常进在发布会上对包括澎湃新闻在内的媒体表示，1TeV处拐折的置信度6.6σ，可以达到“发现”的级别，而置信度3.7σ的1.4TeV处尖锐能谱只能说是一个证据。

自然科研中国区科学总监印格致(EdGerstner)补充说道，高能物理就是这样“又激动又沮丧”，每当一个信号出现，大家都会期待地问：“我们找到新粒子了吗？”，科学家们只能说：“可能吧。”接着，信号再次出现，大家又期待地问：“我们找到新粒子了吗？”科学家们还是只能说：“可能吧”。直到信号重复地出现，经过大量分析，终于有，科学家会出来说：“我们找到了！”

暗物质的理论模型并不精细，可以说，只是一个概念。这意味着，“悟空”发现的疑似新粒子，甚至都不一定是暗物质粒子。

白春礼给可能存在的新粒子提前取好了名字，CAS，即中国科学院的英文名缩写。“如果新粒子是暗物质，是重大的突破；如果它不是暗物质，也是很重要的发现。因为它甚至不像暗物质那样被理论预测过。”

“欧洲核子中心撞出希格斯玻色子花了一百亿美元，我们的‘悟空’连1亿美元都没有。”白春礼笑着说道。