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暗物质粒子探测卫星首席科学家:“悟空”究竟“看”到了什么
来源于:新华网时间:2017-12-01 09:02:58
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“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,这次通过悟空搜集到的数据基本能够判定清楚。”

作者:常进(中国科学院紫金山天文台研究员)

(文章由中国科学院官方科普公众号“科学大院”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。

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。

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着的区别,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着提高,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。

(文章首发于中国科学院官方科普公众号“科学大院”)

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