可能是暗物質存在的證據：“悟空”究竟“看”到了啥？

作者：常進（中國科學院紫金山天文臺研究員）

（文章由中國科學院官方科普公眾號“科學大院”根據暗物質粒子探測衛星首席科學家、中國科學院紫金山天文臺常進研究員在暗物質粒子探測衛星“悟空”首批科學成果新聞發布會上的報告整理而成。）

很高興在這兒向大家匯報一下暗物質粒子探測衛星、探測器的工作情況，以及目前首批成果的情況。

暗物質粒子探測衛星是中國科學院戰略先導專項空間科學的第一顆首發星。有幾十個研究單位參加了工作，這里列出了與探測器相關的工作單位。

在整個工程的研究階段，有超過200個科學家和工程師參與。目前，有超過80個科學家在參與數據分析。

為什么要尋找暗物質？

現在地面和空間的大量觀測表明，我們宇宙最主要的部分是暗物質和暗能量，人類只弄清了宇宙的百分之五。

當今宇宙的組分

根據天文觀測表明，暗物質沒有強相互作用，也沒有電磁相互作用，這意味著它既不發光，也不反射光，也不吸收光，通過光學原理你找不到它。相互作用很微弱，暗物質是可見物質的五倍，長壽命、質量大，把暗物質的物理性質和標準模型里面的所有基本粒子相匹配，發現沒有一個基本粒子能符合暗物質的物理性質。

標準模型中的所有基本粒子與暗物質粒子性質均不吻合

這就意味著，如果找到了暗物質粒子，肯定會超出標準模型，導致物理學發生巨變，這就是暗物質探測意義這么重大的主要原因。

如何尋找暗物質？

國際上，已經在暗物質探測方面耗資數百億美元。探測方式包括在加速器上探測暗物質粒子，在地下直接探測暗物質粒子，和在天上間接探測暗物質粒子。

探測暗物質粒子的三種方法

我們的暗物質粒子探測衛星屬于空間間接探測暗物質粒子，主要是到空間去探測暗物質的物理性質，弄清楚它的物理本質。

暗物質本身不可見，但暗物質湮滅或者衰變了的時候會產生看得見的粒子，通過探測衛星探測看得見的粒子，可以探測看不見的暗物質粒子，叫間接探測法。

由于暗物質粒子湮滅或者衰變時產生的信號很微弱，所以我們需要一個高能量分辨、高空間分辨、高統計量、低本底的高能粒子望遠鏡，也就是說要“看得清、測得準”。

我們的團隊在暗物質探測方面已經有20年的歷史：1998年開始提出科學目標，1999年開始在加速器上驗證我們的實驗方法，2000年開始花了10年時間解決了所有的關鍵技術，2011年開始花了四年時間研制了一顆衛星，目前這顆衛星在天上已經工作兩年。

研制出了一顆“滿分”衛星

我們的衛星于2011年12月立項，2015年年底發射。整個研制階段，我們一共花了四年，經歷了三個階段，研制了四套樣機。

方案階段要論證探測器方案是否可行，包括衛星一體化是不是能行。做的電性件，也就是小型的暗物質粒子探測器，在地面證明能正常工作，然后拿到歐洲去標定一下，證明你的方法可行，才能進入初樣階段。

在初樣階段研制了一套驗證機，和后來真正的探測器是一樣大的，驗證探測器能正常工作，滿足要求。然后我們才研制一套飛行件到天上去觀測。

最后正樣階段就是做真正上天的探測器。

2015年12月17號在酒泉衛星發射中心，“悟空”衛星成功發射。

衛星的名字叫“悟空”，很多人好奇這是怎么來的。這是衛星上天前，在網上進行的征名。我們都覺得這是一個很好的名字，希望通過“悟空”的火眼金睛能夠找到暗物質這個“妖魔鬼怪”。衛星的英文名字叫Dark Matter Particle Explorer，簡稱DAMPE。

衛星上天三個月以后，科學院組織了一次評審，各項指標都滿足評定要求，整星指標評定為100分。2016年3月，衛星交付中國科學院紫金山天文臺，正式進入科學運行階段。

到目前為止，衛星在軌將近兩年，所有的探測器性能和剛發射時一樣，保持了100分的狀態。

“悟空”衛星都有哪些目標？

暗物質粒子探測衛星主要是通過在空間探測高能粒子，實現三個科學目標。第一個最重要的科學目標是探測暗物質粒子，悟空衛星本身就是宇宙線和伽馬射線望遠鏡，所以我們還可以做宇宙射線起源和傳播加速方面的研究，這也是一個天文方面很重要的科學問題。

在暗物質方面，暗物質衛星要找三個典型的信號。一個是伽馬射線譜線，第二個是暈狀分布的伽馬射線，第三點是奇異電子能譜結構。這三個是暗物質的特征信號，它和其它的天體物理構成有顯著的區別，找到這三個信號對研究暗物質特別重要。

伽馬譜線、暈狀分布伽馬射線、奇異電子能譜結構

暗物質衛星是一個望遠鏡，它測量天上所有的高能粒子，測量三個主要的物理量：能量、方向、電荷，還有衛星提供的時間。

最主要的是把天上的高能粒子要分得很清楚，所以我們用“看得清、測得準”六個字來表達暗物質粒子的設計指標。

看得清，就是所有的東西都分得很清楚；測得準，是所有的物理量要高分辨地測量，所以關鍵的物理量在設計時都是兩種獨立的測量，每一個物理量是用兩種探測器測量，這樣保證結果的高可靠性。

“悟空”衛星的探測原理是什么？

暗物質衛星是一個高能粒子和伽馬射線望遠鏡，從頂部到底部一共有四種探測器，頂部是塑料閃爍體探測器，往下依次是硅陣列探測器、BGO量能器、中子探測器。

每一個探測器都有不同的功能，四種探測器組合到一起，才能實現高分辨地觀測高能電子、伽馬射線和宇宙射線粒子。

暗物質粒子探測衛星總共有75916路子探測器，可以說這是我們國家在天上飛行或者上天的電子學方面最復雜的一顆衛星。

塑料閃爍體探測器是中國科學院近代物理所研制的，它的主要的功能是測量入射粒子電荷。我們知道天上的粒子多種多樣，比如伽馬射線不帶電，電荷為0；電子帶負電-1；正電子+1；質子是+1；氫氦鋰鈹硼，一直到鐵，鐵是+26，通過測量電荷就能把大部分粒子鑒別出來。

粒子探測器的探測水平如何，可以用電荷分辨水平這樣一個物理量來描述它。現在電荷分辨水平對質子來講是0.13的電荷，對于鐵來講是0.32的電荷，這樣就得出了地球上所有的元素天上都有高能粒子。這個0.13的電荷分辨水平和世界上所有的在軌衛星的最高水平相當，我們達到了世界上最高水平。

塑料閃爍體探測器下方是一個硅陣列探測器，它的研制單位是中國科學院高能物理所領導的一支國際合作團隊，包括瑞士的日內瓦大學和意大利的佩魯賈大學，它的主要功能是測量粒子的方向和電荷。

這個探測器的水平可以用位置分辨來表示，探測器位置分辨的精度達到了優于60微米，上圖中的灰影是計算模擬的最高水平，和理論結果吻合的很好，這表明我們的探測器達到了國際上最先進的伽馬射線望遠鏡的水平。

在硅陣列探測器下方有一個叫BGO量能器的探測器，整個探測器1.4噸重，僅BGO量能器就一噸多重。它的主要任務是測量入射粒子能量和方向，并鑒別粒子的種類，是由中國科學技術大學和紫金山天文臺聯合研制的。

BGO探測器里有一個世界上最長的晶體，有60公分長。

在衛星立項之前，我們和硅酸鹽所合作，花了幾年的時間把這種晶體研制出來，效率高、費用低。這是目前在天上飛行最長的BGO閃爍晶體。

那么BGO量能器的水平如何呢？在測量入射粒子的能量方面，能量分辨率達到了百分之一，這個是國際上最高水平，遠遠超過在天上飛的其它的衛星探測器。

中子探測器是中科院紫金山天文臺研制的，主要功能是用來鑒別粒子。我們知道宇宙射線的質子、重核都會和探測器作用產生大量的次級中子，而電子和伽馬射線產生的次級中子數目要少一點，根據這一點我們可以來鑒別粒子。

上圖中，彩圖的左下角是電子伽馬候選事例，上方是本底。我們可以看到在TeV級別上，僅僅用中子探測器就能把它鑒別得很好。這在世界上是第一次用中子探測器在TeV以上用來鑒別粒子。我們發現這是一個很成功的方法。

由于國內沒有高能粒子加速器，所以我們這個探測器研制完成后，還要運到瑞士的歐洲核子研究中心，用加速器產生的高能粒子，模擬天上所有的高能粒子來驗證我們探測器的性能、標定探測器。我們總共花了6個月的時間，測試了從質子、電子到伽馬射線、重核等等，來驗證探測器的性能，測試表明所有指標都滿足后續科學需求。

在探測器完成以后，為了保證交付衛星的時候75916路子探測器都正常工作，我們通過地面的宇宙線粒子又進行了長時間的測試，證明所有的探測器、軟件、功能都符合要求，才進行了在軌交付。

“悟空”衛星的在軌運行狀況怎么樣？

“悟空”衛星于2015年年底發射，衛星的重量1850公斤，探測器重量是1415公斤，感謝中科院微小衛星創新研究院的工程師和領導們的支持，研制了這個高的載荷重量比的探測器。

衛星的設計壽命是三年，但是根據現在的測試結果，所有的探測器工作完美，我們預計衛星真正在天上服役的時間要遠遠超過它的設計壽命。

衛星每天繞地球15圈，平均每秒鐘獲得60個高能粒子，每天獲得500萬的高能粒子。發射到現在將近兩年，衛星十分穩定，像塑料閃爍體探測器、BGO量能器、中子探測器，它的穩定性都優于0.5%，基本上隨著時間都沒變化。

悟空衛星在天觀測情況

“悟空”衛星的研制有多難？

在研制衛星的過程中，最大的挑戰是粒子鑒別。

這顆衛星和國際上其它的衛星不一樣的是，我們是要觀測所有的高能粒子，而國際上的其它衛星功能都是專門的，比如伽馬射線望遠鏡只觀測伽馬射線，高能粒子探測器只觀測帶電粒子。但我們要觀測所有的粒子，不光是伽馬射線，還觀測帶電粒子。

天上的粒子情況很復雜，最大的情況就是每一種粒子的流量完全不一樣。以高能宇宙射線的主要成分——質子來說，它的流量要比電子高1000倍，要比伽馬射線高100萬倍，因此你要觀測伽馬射線必須要把質子本底至少降低2000萬倍。打個比方來講，在一個2000萬的大城市要去尋找20個人，不能弄錯一個人，這是一個難度很大的事。

但我們的探測器由于一些特殊的設計原理和工程師們的工程措施，讓工作幾乎完美了。

上圖是原始數據，我們的電子和質子區分得很清楚。

根據這張圖，我們可以計算出來本底只占2.3%信號流，這是世界上堪稱效率最高、本底最低的探測器，既讓我們測得準，又讓我們看得清，因為每種粒子都分布得很清楚，要看得清。

上圖是我們獲得的伽馬射線圖。這上面有100多個天體的伽馬射線源。用這張大圖表明的是，我們探測器的粒子鑒別本領很完美。

為什么這么說？剛才我們提到，伽馬射線的流量只有宇宙射線質子流量的百萬分之一，你要探測伽馬射線，必須要把宇宙射線本底減掉。只要一個探測器或者小探測器不工作，這個宇宙射線帶電粒子會從壞的這個小探測器吸入進來。宇宙射線的分布是各向同性的，每個地方都有。但伽馬射線的分布是一個銀河系的盤狀，你可以很清楚地看到中間一個盤狀，這就證明我們的伽馬探測很準確，本底很低，說明我們的粒子鑒別很有效果。

第二個挑戰，是100萬倍的動態范圍。

“悟空”衛星希望通過觀測GeV到10個TeV以上的高能電子和伽馬射線來探測暗物質粒子，要求單個探測器的動態范圍達到100萬倍。

這個是個物理概念，簡單來講，就是把“悟空”衛星的“眼睛”作為人的眼睛來看的話，你要看到一個2米高的籃球運動員，同時還能看到他身上最小的細胞，一般來講是只有2微米的血小板。這是一件難度很大的事情。

我們為了解決這個問題，基本上花費了十年時間。最后得到了中國科學技術大學幾位退休的老教授和國內相關單位的支持，解決了這個問題。

為了電路板滿足100萬倍的動態范圍，這兩位教授花費了兩年的時間，得到了30個不同版本的電路，最后選擇了一個最好的電路用在衛星上。后面光電倍增管讀出的線路板只有1塊硬幣的大小。不光這樣，測試結果也要滿足要求，所以我們在地面做大量的實驗，在加速器上做大量的實驗，包括在空間做標定實驗，結果證明動態范圍和信息幾乎完美，達到了設計要求。

所以，總結一下：“悟空”是世界上第一次在空間觀測TeV上的波段，這就相當于打開了宇宙觀測的新窗口，因為不同的波段反映了不同的物理構成。

打個比方，你用眼睛去看普通相機拍出來的照片，是一個樣子；你到醫院照X光，看到的是另外一幅圖像；用微波照，又是另外一幅圖像。不同的圖像反映了不同的物理構成，都是你，但反映了你不同的情況。

所以，打開了新的觀測窗口以后，我們能夠看到新的物理現象。而且，打開窗口不光是要看，還要看得清、測得準。剛剛提到，我們的衛星有世界上效率最高、本底最低的探測器，這樣證明我們看得清；實現電荷測量、能量測量、方向測量的指標，基本能夠達到了國際最領先的水平了，這表明我們測得準。

“悟空”在宇宙中，都“看”到了什么？

到目前為止，我們在天將近兩年，全天掃描了4次，獲得了超過35億的高能粒子。

上面右圖的橫坐標是時間，縱坐標是粒子數目，每天在穩定地增長，如果有一天儀器出了問題，它就不是一條直線，它就要掉下來，所以這個直線你看穩定在那，就證明我們在天上沒有浪費一分鐘，所有的時間都在正常地工作。

5TeV的高能電子

這是我們在天上看到的一個5TeV的高能電子，也是人們在天上第一次直接看到這么高能量的高能電子。

那么，“悟空”號究竟“看”到了什么呢？

這一次發表的結果是基于530天的數據，從28億個高能粒子里面選出了150萬個高能電子，它觀測的能段從25個GeV到5個TeV。

悟空號的電子宇宙射線能譜

首先，“悟空”號的能量測量范圍比世界上其他的空間項目顯著提高，開辟了宇宙觀測新窗口。AMS-02（阿爾法磁譜儀）是不到1個TeV，費米大概在2個TeV以下，但是我們接近5個TeV，這個窗口的延伸對科學特別重要。

“悟空”衛星工作530天得到的高精度宇宙射線電子能譜（紅色數據點），以及和美國費米衛星測量結果（藍點）、丁肇中先生領導的阿爾法磁譜儀的測量結果（綠點）的比較。

第二個是測量到TeV電子的純凈度最高，也就是看得清，能譜的準確性最高。所以我們說“悟空獲得了世界上精度最高的宇宙高能電子能譜”，它的本底最低，系統誤差最小。

它在物理上首次直接測量到了能譜在1TeV處的拐折，因為通過十多年的觀測，在1TeV以下發現了宇宙高能電子的異常，有個超出情況。這個超出究竟是來自于暗物質還是特殊的天體物理構成，到現在為止還不是很清楚，只有把這個拐折測出來往下“掉”，才能判斷它的物理源。我們測出了這個“掉”，澄清了TeV電子的能譜行為，為判斷TeV以下的高能電子宇宙射線是否來自于暗物質湮滅提供了關鍵性的數據。

就是說，以前國際上花了那么多錢，數百億下去，看到了異常，這些異常是什么東西呢，這次通過我們這個數據基本能夠判定清楚。

科學觀察有一個特殊性，本來就要做A，但往往發現的是B，“種瓜得豆”在科學上是常有的事情。

我們在高能段發現了一個令人矚目的現象，就是這一個點，流量突然上去又下來了，這個點是我們沒有預見到的，它用現有的物理知識還沒辦法解釋。