[科普中國]-“悟空”號衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)宇宙中或存新粒子，暗物質(zhì)理論受挑戰(zhàn)

北京時間2017年11月30日凌晨兩點，《自然》雜志在線發(fā)表一篇來自中國的重量級科研成果，中國暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空”號獲得世界上最精確的高能電子宇宙線能譜，并在1.4TeV(萬億電子伏特)處發(fā)現(xiàn)反常結(jié)構(gòu)，揭示宇宙中或存在相應(yīng)質(zhì)量的新粒子。如果這一發(fā)現(xiàn)得以確證，將是粒子物理或天體物理領(lǐng)域的開創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的很多理論包括暗物質(zhì)模型都將受到?jīng)_擊。什么是暗物質(zhì)怎樣探測暗物質(zhì)大家都知道，因為萬有引力的存在，銀河系內(nèi)所有星星都繞著其中心旋轉(zhuǎn)。每個星星的運動速度必須與束縛它的引力達成平衡才不至出軌；而且引力越強，其運動速度越快。實際觀測卻發(fā)現(xiàn)，星星的轉(zhuǎn)速比根據(jù)牛頓和愛因斯坦的引力理論計算的結(jié)果大很多。說明宇宙中還存在著一類看不見的物質(zhì)，在為星系提供引力?？茖W(xué)家稱之為“暗物質(zhì)”。暗物質(zhì)看不見摸不著，也不參與電磁相互作用，因此不能用任何光學(xué)手段直接觀測。但是它的存在卻關(guān)系著宇宙的演化與發(fā)展、物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和起源、天體的形成和分布，其物理本質(zhì)是目前國際上粒子物理和天體物理領(lǐng)域的最重大問題之一?？茖W(xué)家認為，暗物質(zhì)粒子相互碰撞，會產(chǎn)生數(shù)量可觀的（可見的）高能電子和伽馬射線。這些粒子隨著宇宙射線（來自外太空的高能粒子）中的其他粒子一起，鋪天蓋地向地球襲來。如果能準(zhǔn)確捕捉到這些粒子的能量、位置分布，將為暗物質(zhì)的存在提供有力證據(jù)。看不見的暗物質(zhì)粒子相互碰撞、湮滅，產(chǎn)生可見的正負電子、伽馬射線等粒子悟空號的重大成果“悟空”號暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星，就是專為尋找暗物質(zhì)而研制的。它采用中國科學(xué)院紫金山天文臺研究人員自主提出的分辨粒子種類的新探測技術(shù)方法，實現(xiàn)了對宇宙射線中超高能電子、伽馬射線的“經(jīng)濟實用型”觀測。常進研究員擔(dān)任衛(wèi)星的首席科學(xué)家。“悟空”衛(wèi)星在“高能電子、伽馬射線的能量測量準(zhǔn)確度”以及“區(qū)分不同種類粒子的本領(lǐng)”這兩項關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)方面世界領(lǐng)先，尤其適合尋找暗物質(zhì)粒子湮滅過程產(chǎn)生的一些非常尖銳的能譜（能譜指的是電子數(shù)目隨能量的分布情況）信號。悟空號暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星在軌道上“悟空”號自2015年12月17日發(fā)射升空以來，在軌工作530天，共采集了約28億顆高能宇宙射線，其中包含約150萬顆25GeV以上的電子宇宙射線。基于這些數(shù)據(jù)科研人員成功獲取了目前國際上精度最高的電子宇宙射線探測結(jié)果，如圖1所示。與之前結(jié)果相比：(1) “悟空”衛(wèi)星的電子宇宙射線的能量測量范圍比起國外的空間探測設(shè)備（AMS-02, Fermi-LAT）有顯著提高，拓展了我們觀察宇宙的窗口。(2) “悟空”衛(wèi)星測量到的TeV電子的“純凈”程度最高（也就是其中混入的質(zhì)子數(shù)量最少），能譜的準(zhǔn)確性高。(3) “悟空”衛(wèi)星首次直接測量到了電子宇宙射線能譜在~1 TeV處的拐折，該拐折反映了宇宙中高能電子輻射源的典型加速能力，其精確的下降行為對于判定部分（能量低于1 TeV）電子宇宙射線是否來自于暗物質(zhì)起著關(guān)鍵性作用。尤為重要的是，“悟空”衛(wèi)星的數(shù)據(jù)初步顯示在~1.4 TeV處存在能譜精細結(jié)構(gòu)。這在理論上都未曾預(yù)料到！（該信號被專家認為可能來自一種質(zhì)量為1.4TeV的新物理粒子的湮滅，或者某種奇特天體可以加速出單一能量的高能電子）目前“悟空”衛(wèi)星運行狀態(tài)良好，正持續(xù)收集數(shù)據(jù)，一旦該精細結(jié)構(gòu)得以確證，將是粒子物理或天體物理領(lǐng)域的開創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)。圖1：“悟空”衛(wèi)星工作530天得到的高精度宇宙射線電子能譜（紅色數(shù)據(jù)點），以及和美國費米衛(wèi)星測量結(jié)果（藍點）、丁肇中先生領(lǐng)導(dǎo)的阿爾法磁譜儀的測量結(jié)果（綠點）的比較?？茖W(xué)家：新發(fā)現(xiàn)揭示了暗物質(zhì)粒子可能存在的新證據(jù)對于該次發(fā)現(xiàn)（精確的高能電子宇宙線能譜），暗物質(zhì)衛(wèi)星科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)副總工程師、紫金山天文臺研究員范一中解釋道：“通常認為，電子宇宙射線來自天體物理源，比如脈沖星、超新星遺跡，但更吸引人的，是它們（中的一部分）可能來自于暗物質(zhì)的湮滅和衰變。”一般認為，1TeV以下的電子宇宙線能譜中的異常，可能來自于新天體物理源或暗物質(zhì)的湮滅或衰變，但如果這一說法成立，就必須在譜線的高能部分中找到對應(yīng)于這兩種機制應(yīng)有的“轉(zhuǎn)折點”（即上文提到的“拐折”）?！稗D(zhuǎn)折點”以及其后的能譜下降行為反映了宇宙中高能電子輻射源的典型加速能力，下降行為的精準(zhǔn)測量可能對于判定部分（能量低于1TeV）電子宇宙射線是否來自于暗物質(zhì)起著關(guān)鍵性作用。由于以往測得的宇宙射線能譜高能部分不夠?qū)?，因而這種“截斷點”難以看到。現(xiàn)在悟空號最精確的給出了這一數(shù)據(jù)：確實在1TeV附近存在這種轉(zhuǎn)折。“我們真的很幸運，我們的確找到了這個轉(zhuǎn)折。”范一中說到。但譜線中1.4TeV處存在的跳變（即上文提到的“精細結(jié)構(gòu)”），才是更吸引人的一個重大發(fā)現(xiàn)，之前沒有任何理論物理學(xué)家預(yù)言過這一現(xiàn)象。對此，紫金山天文臺與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的工作人員反復(fù)確認了1年半的時間。要解釋這一現(xiàn)象，“理論物理學(xué)家面臨的選擇是不多的，能譜此處的電子速度只比光速小十萬億分之一”，范一中說到。對于這一新奇現(xiàn)象，中國科學(xué)院大學(xué)常務(wù)副校長、中科院院士吳岳良認為：有兩種機制可能產(chǎn)生這種電子能譜。一種是鄰近天體短暫產(chǎn)生了高能電子，即現(xiàn)象來自“短暴源”，如脈沖星云、超新星遺跡。但是悟空號測得的能譜與通常脈沖星能譜的冪律指數(shù)有一定區(qū)別，表示該種可能性不大。另一種則是宇宙中存在可以連續(xù)產(chǎn)生高能電子的天體，即現(xiàn)象來自“連續(xù)源”，比如暗物質(zhì)聚集在距離比較近的中等質(zhì)量黑洞周圍，或是星系周圍存在大量的質(zhì)量為一千萬倍太陽左右的暗物質(zhì)子結(jié)構(gòu)，形成一種“暗物質(zhì)子暈”?？傊?，“‘悟空’的暗物質(zhì)實驗觀測到的1.4TeV附近的尖銳電子能譜，可以說揭示了暗物質(zhì)粒子可能存在的新證據(jù)?！眳窃懒颊f到。目前悟空號還在持續(xù)收集數(shù)據(jù)，如果這一發(fā)現(xiàn)（1.4TeV處的跳變）得以確證，必將是粒子物理或天體物理領(lǐng)域的開創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的很多理論包括暗物質(zhì)模型都將受到?jīng)_擊。據(jù)了解，“悟空”衛(wèi)星是中國科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略先導(dǎo)專項的首發(fā)星，它最早由紫金山天文臺的常進研究員于2005年提出，在原中國科學(xué)院基礎(chǔ)局、科技部的支持下研制了原理樣機。該衛(wèi)星的探測器由紫金山天文臺、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、近代物理研究所、高能物理研究所與國家空間科學(xué)中心聯(lián)合研制。文章由企鵝科學(xué)和科普中國聯(lián)合推出轉(zhuǎn)載請注明來自“科普中國”