常 進(jìn)

(中國科學(xué)院 紫金山天文臺,江蘇 南京 210034)

0 引言

世界的基本構(gòu)成單元是物理學(xué)研究的核心問題之一。自從有歷史記錄以來,人類一直在探尋世界是由什么構(gòu)成的答案。為此,人們在地下建造了大型加速器,從微觀層面測量物質(zhì)的基本構(gòu)成;也制造了各種孔徑尺寸的望遠(yuǎn)鏡,從天上觀測不同物質(zhì)的構(gòu)成形式,并由此建立了基本粒子的標(biāo)準(zhǔn)物理模型,形成了現(xiàn)代天文學(xué)和標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)的基本框架。

基本粒子的標(biāo)準(zhǔn)物理模型描述了自然界中4種基本相互作用(能量)中的3種,包括強(qiáng)相互作用、電磁相互作用和弱相互作用。該標(biāo)準(zhǔn)模型指出世界的構(gòu)成材料是3代夸克、輕子和傳遞其相互作用的規(guī)范玻色子。2012年,研究人員利用位于歐洲核子研究組織的大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了Higgs玻色子[1]。標(biāo)準(zhǔn)模型越來越完整,似乎已完美回答了世界由什么構(gòu)成的問題。然而,現(xiàn)代宇宙學(xué)的觀測結(jié)果遠(yuǎn)超出了標(biāo)準(zhǔn)模型的框架,讓該問題的答案模糊起來。其中,重要的天文學(xué)觀測結(jié)果包括星系的旋轉(zhuǎn)速度曲線反常[2]和宇宙加速膨脹[3],無法用標(biāo)準(zhǔn)模型下的粒子和相互作用來解釋。只有考慮到新的物質(zhì)形態(tài)和相互作用,才可理解這些奇異現(xiàn)象。尤其令人費(fèi)解的是,這些現(xiàn)象同引力效應(yīng)之間存在著千絲萬縷的聯(lián)系。這些新的物質(zhì)形態(tài)和能量形式分別被稱為暗物質(zhì)[4]和暗能量[5],它們的存在形式和特征都不明確。

根據(jù)物理學(xué)研究的特點(diǎn),想了解一種新物質(zhì),需要知道其產(chǎn)生和消亡的方式,這些一般可通過加速器實(shí)驗(yàn)[6]得到,因此加速器成為粒子物理研究的有力工具。然而,人類至今還未在任何加速器實(shí)驗(yàn)中找到確定暗物質(zhì)的蹤跡,對于暗能量,甚至不知道怎么尋找它們。

宇宙作為天然加速器,具有地面加速器無法比擬的優(yōu)勢。例如：根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型[7],宇宙早期處于極高溫狀態(tài),其中粒子能量超過目前或未來所能建造的最強(qiáng)大加速器能達(dá)到的粒子對撞能量。宇宙中的物質(zhì)形態(tài)多樣,相互作用復(fù)雜,尺度差異巨大,是獲取新知識的天然狩獵場。暗物質(zhì)或暗能量的最初概念也來自于天文學(xué)觀測。所以,從天文觀測中捕捉暗物質(zhì)粒子或探索其可能的存在形式,逐漸成為研究熱點(diǎn)。本文重點(diǎn)介紹我國的暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空號”在這方面的探索研究。

1 暗物質(zhì)及其探測方法

1.1 暗物質(zhì)與暗能量

由現(xiàn)代天文觀測與宇宙學(xué)模型相結(jié)合可知,常規(guī)物質(zhì)只占整個(gè)宇宙物質(zhì)的5%,剩余的95%可能由暗物質(zhì)和暗能量構(gòu)成。目前還沒有直接觀測到暗物質(zhì)和暗能量,但一些宇宙學(xué)觀測效應(yīng)預(yù)示了它們的存在。

1933年,ZWICKY 通過測量后發(fā)座星系團(tuán)中星系的速度分布,發(fā)現(xiàn)僅依靠可見物質(zhì)提供的引力,不足以使星系團(tuán)維持如此高的速度而不散開,為了維持星系團(tuán)的狀態(tài),星系團(tuán)中必須存在相當(dāng)數(shù)量的不可見物質(zhì)才能提供足夠的引力[8]。1970 年前后的觀測發(fā)現(xiàn),在可見物質(zhì)暈外的銀河系盤面的旋轉(zhuǎn)速度并沒有減小,而是維持一個(gè)近似的恒定速度。這意味著,可能存在1個(gè)暗物質(zhì)暈,其提供的質(zhì)量與銀河系的半徑成正比。根據(jù)觀測數(shù)據(jù)可推測,這些不發(fā)光的物質(zhì)可能比正常發(fā)光物質(zhì)多4倍。此外,從橢圓星系周圍氣體發(fā)射的X 射線、星系團(tuán)中星系間熱等離子體的速度分布和弱引力透鏡效應(yīng)等也能得到暗物質(zhì)存在的證據(jù),這些都是基于引力效應(yīng)觀測得到的[9]。最近觀測是2004年對子彈星系團(tuán)的觀測。通過X 射線輻射推斷,當(dāng)2 個(gè)星系團(tuán)碰撞時(shí),重子物質(zhì)碰撞在一起并且減速,位置維持在系統(tǒng)的中心;通過弱引力透鏡效應(yīng)判斷,其質(zhì)量分布集中在系統(tǒng)的外部。系統(tǒng)中正常物質(zhì)分布和質(zhì)量分布表明：在星系團(tuán)內(nèi),最大質(zhì)量來源于不參與碰撞反應(yīng)且不發(fā)光的成分[10]。在子彈狀星系團(tuán)內(nèi),該現(xiàn)象可能只有在考慮存在一些非重子種類的暗物質(zhì)時(shí)才能被很好地理解,而不能簡單地用引力修正理論來解釋。

暗物質(zhì)的存在決定宇宙的演化過程,是宇宙結(jié)構(gòu)形成的主導(dǎo)因素之一。這些暗物質(zhì)粒子從大爆炸開始至今,都維持著相當(dāng)?shù)呢S度。這些粒子應(yīng)該是中性、穩(wěn)定的粒子,具有和宇宙年齡相當(dāng)?shù)膲勖?且與常規(guī)物質(zhì)的相互作用很弱。標(biāo)準(zhǔn)模型下的粒子不大可能是暗物質(zhì)粒子。理解暗物質(zhì)需要將標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行擴(kuò)展,科學(xué)家們提出很多超出標(biāo)準(zhǔn)模型的具有不同特性和相互作用的粒子種類,有些是超對稱性模型下的粒子,如中性子[11]或惰性中微子[12]、電子相互作用暗物質(zhì)、Kaluza-Klein 粒子[13]、自相互作用暗物質(zhì)[14]、軸子或類軸子[15]、鏡像暗物質(zhì)[16]等?？茖W(xué)家們認(rèn)為暗物質(zhì)粒子也可能是由多種成分構(gòu)成的。

暗能量可能是比暗物質(zhì)更神秘的物理形式。理論上認(rèn)為暗能量充斥整個(gè)宇宙空間,推動宇宙加速膨脹。暗能量的概念也是自20世紀(jì)90年代人類觀測到宇宙加速膨脹后,最被物理學(xué)界接受的假設(shè)之一。根據(jù)目前的標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型,暗能量約占宇宙總物質(zhì)能量的68%,暗物質(zhì)和正常物質(zhì)分別占宇宙質(zhì)能的27%和5%,剩下為中微子、光子等。雖然暗能量的密度很低(約為7×10-30g/cm3),但其充斥了整個(gè)空間,所以總量很大。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中,如此低的暗能量密度很難被探測到。目前理論認(rèn)為暗能量可能存在2種形式：1)宇宙學(xué)常數(shù)[17],表示一種均勻充滿空間的能量;2)標(biāo)量場,如第五元素理論、模量場或其他一些能量密度隨空間或時(shí)間變化的場,這些標(biāo)量場的穩(wěn)恒部分常被認(rèn)為是宇宙學(xué)常數(shù)。事實(shí)上,宇宙學(xué)常數(shù)與空間的零點(diǎn)輻射能(真空能)[18]有著密切關(guān)系,他們是否為一個(gè)物理量目前還沒有定論。目前,標(biāo)量場在空間時(shí)間上的變化和宇宙學(xué)常數(shù)較難區(qū)分,因?yàn)闃?biāo)量場的變化可能會非常緩慢,顯示出類似常數(shù)的結(jié)果。暗能量的重要特點(diǎn)是具有非常大的負(fù)壓力,這也是對宇宙加速膨脹的一種解釋。

暗物質(zhì)和暗能量是現(xiàn)代物理學(xué)的研究難題,雖然天文學(xué)上的觀測支持其存在,但只靠探測其引力效應(yīng)是無法真正確認(rèn)其是否存在并解釋其本質(zhì)的,還需采用類似粒子物理學(xué)的方法進(jìn)行探測,進(jìn)而確定其衰變方式。

1.2 暗物質(zhì)粒子探測方法

目前,了解暗物質(zhì)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)大致分為3類：

1)直接探測實(shí)驗(yàn)。這類實(shí)驗(yàn)采用高靈敏度探測器直接進(jìn)行探測,其基本思路是：當(dāng)暗物質(zhì)粒子和探測器物質(zhì)發(fā)生碰撞后,可能引起較低能量的反沖粒子,通常是幾個(gè)ke V 的量級。在這個(gè)過程中,反沖的核子會發(fā)射一些能量,如熒光或者聲子振蕩,這些極小的信號可能被一些非常靈敏的探測器探測到。這類實(shí)驗(yàn)要求本底噪聲很小,通常在地底深處進(jìn)行,以減小宇宙線的干擾,探測器多采用低溫或惰性液體探測技術(shù)。低溫探測器運(yùn)行溫度在100 m K 以下,當(dāng)暗物質(zhì)粒子通過探測器材料時(shí),探測器對粒子撞擊其中原子所產(chǎn)生的熱進(jìn)行測量,從而反推暗物質(zhì)粒子。惰性液體探測器通過測量粒子在液體氙氣或氬氣中產(chǎn)生的閃光來測量粒子特性。

2)間接探測實(shí)驗(yàn)。通過探測暗物質(zhì)自湮滅或衰變的產(chǎn)物來研究暗物質(zhì)的本質(zhì)。盡管人們還不了解暗物質(zhì)的本質(zhì),但如果暗物質(zhì)的確是由宇宙早期的高溫粒子碰撞產(chǎn)生,且隨著宇宙膨脹遵循熱退耦的演化過程,則可推斷其反過程,即暗物質(zhì)粒子湮滅到普通物質(zhì)的過程一定會發(fā)生。基于此,在暗物質(zhì)密度可能較高的地方,暗物質(zhì)粒子可能會互相碰撞并湮滅成伽馬光子或粒子-反粒子對,通過測量這些伽馬射線可得到暗物質(zhì)存在的證據(jù)。此外,暗物質(zhì)粒子本身可能并不穩(wěn)定,會衰變成標(biāo)準(zhǔn)模型下的粒子。因此,通過測量這些額外的伽馬射線、反質(zhì)子或正電子等,可反推暗物質(zhì)粒子的形式。這種探測的一個(gè)難點(diǎn)是很多的天體物理源可能產(chǎn)生與暗物質(zhì)粒子類似的信號,因此需要非常精確的測量,且需要其他相關(guān)的觀測來排除天體物理過程的影響。由目前暗物質(zhì)的密度可大致推斷出宇宙早期暗物質(zhì)粒子產(chǎn)生和湮滅的概率,即相互作用強(qiáng)度。

3)在人工實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下,通過質(zhì)子對撞(如LHC)或電子對撞(如新一代等離子光源),嘗試制造暗物質(zhì)粒子。其難點(diǎn)在于目前加速器的能量可能不足以產(chǎn)生暗物質(zhì)粒子;而在技術(shù)層面,由于暗物質(zhì)粒子和常規(guī)探測器物質(zhì)的相互作用很弱,即使產(chǎn)生了暗物質(zhì)粒子,也很難被探測到。一種解決辦法是通過測量一個(gè)事件中從探測器中消失的能量和動量反推粒子的產(chǎn)生和種類。此外,即使探測到了符合暗物質(zhì)行為的新粒子,其是否為宇宙中的那種暗物質(zhì)也需要更多證據(jù)來驗(yàn)證。

綜上所述,暗物質(zhì)粒子探測在物理上需要綜合采用多種手段。只有多種手段都符合暗物質(zhì)的預(yù)期,才能從根本上確定暗物質(zhì)粒子,這也說明了通過空間間接探測暗物質(zhì)粒子的重要性和必要性。

2 空間間接探測暗物質(zhì)

暗物質(zhì)產(chǎn)生的湮滅信號會疊加到普通的宇宙線本底上,一般其能譜不同于宇宙線本底的能譜,因此高靈敏度的實(shí)驗(yàn)有可能探測到這樣的信號。間接探測實(shí)驗(yàn)最理想的探測對象是反物質(zhì)粒子,這是因?yàn)榘滴镔|(zhì)湮滅或衰變通常產(chǎn)生等量的正、反粒子,在宇宙空間,恒星、脈沖星、超新星遺跡、吸積中的黑洞等天體可產(chǎn)生并加速各種宇宙線,能量足夠高的宇宙線在星系中傳播時(shí)會與星際介質(zhì)發(fā)生碰撞進(jìn)而產(chǎn)生反物質(zhì)宇宙線,但此類反物質(zhì)宇宙線的流量顯著低于對應(yīng)的正常物質(zhì)宇宙線的流量,因此在反物質(zhì)宇宙線中更易認(rèn)證暗物質(zhì)信號。比較成熟的區(qū)分正反物質(zhì)的手段是磁譜儀,其原理是：帶正負(fù)電荷的粒子在磁場下的偏轉(zhuǎn)方向相反。丁肇中先生領(lǐng)導(dǎo)的阿爾法磁譜儀(AMS-02)項(xiàng)目正進(jìn)行此類研究。但磁譜儀技術(shù)難度較高,耗資較大,探測的能段范圍受到磁場強(qiáng)度的約束。由于宇宙線中的負(fù)電子能譜是正電子的5～20倍,如果正電子能譜中有顯著異常,則通過對正負(fù)電子宇宙線總能譜的精確測量仍能認(rèn)證出該成分。因此另一種實(shí)驗(yàn)是通過探測宇宙高能(正負(fù))電子探測暗物質(zhì)粒子,我國的暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空號”和日本的CALET衛(wèi)星都屬于這類實(shí)驗(yàn)。

銀河系存在復(fù)雜的磁場,高能帶電粒子會在磁場中偏轉(zhuǎn),所以很難通過探測帶電粒子得到暗物質(zhì)的空間分布。為得到暗物質(zhì)空間分布信息,需要伽馬射線望遠(yuǎn)鏡。通過觀測伽馬射線譜或其他特異結(jié)構(gòu)得到暗物質(zhì)信號,從而獲得空間分布信息,美國FERMI衛(wèi)星就屬于此類實(shí)驗(yàn)。我國的暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星也能觀測伽馬射線,其能量分辨力比美國FERMI衛(wèi)星高10倍,對于精確測量伽馬射線譜具有很大的優(yōu)勢。但其接收度比較低,需要較長的運(yùn)行時(shí)間來發(fā)揮其在能量測量方面的優(yōu)勢。

表1列出了目前在軌的暗物質(zhì)間接探測實(shí)驗(yàn)。從表中可看出：國際上空間暗物質(zhì)粒子間接探測競爭比較激烈,相比其他探測器衛(wèi)星,我國暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空號”在能量分辨力、接收度等關(guān)鍵參數(shù)上優(yōu)勢明顯。截至2019年4月,衛(wèi)星通過空間間接探測實(shí)驗(yàn)已發(fā)現(xiàn)了一些暗物質(zhì)粒子存在的跡象,但仍需要進(jìn)一步積累數(shù)據(jù),并進(jìn)行更高能量的精確測量,以確定這些信號是來自于暗物質(zhì)還是其他天體物理過程。例如：在伽馬射線觀測中,康普頓空間伽馬射線天文臺上的EGRET 望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)銀心伽馬射線在GeV 處的觀測流量比理論模型高40%左右,有人認(rèn)為該超高能量可能與暗物質(zhì)有關(guān),而2009年FERMI衛(wèi)星上天后證實(shí)該超出并不存在。

表1 各空間實(shí)驗(yàn)主要性能參數(shù)對比Tab.1 Comparison of performance parameters of several space-born experiments

在反物質(zhì)觀測方面,1994—2000 年HEAT 氣球?qū)嶒?yàn)[19]對正電子能譜及正電子比例的測量結(jié)果顯示：正電子在8 Ge V 以上有著不同尋常的超出。隨后,PAMELA 衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了更大能量范圍的測量[20],結(jié)果顯示：10 GeV 以上的正電子比例比通常宇宙線模型計(jì)算值高出1個(gè)量級。PAMELA 衛(wèi)星的測量結(jié)果引起了人們廣泛關(guān)注。AMS-02實(shí)驗(yàn)公布的0.5～500 Ge V 能量范圍的宇宙線正電子比例[21]和正電子流量[22]的測量結(jié)果表明：正電子比例存在超出,且可用質(zhì)量為1.2 Te V 的暗物質(zhì)粒子的模型擬合,如圖1所示,脈沖星模型也可產(chǎn)生類似的結(jié)果。AMS-02 測量的反質(zhì)子數(shù)據(jù)[23]可用約47 GeV的暗物質(zhì)粒子模型[15]進(jìn)行擬合,如圖2 所示。因此,為確定產(chǎn)生這些超出正電子的物理過程,需要更高能量和更高精度的測量。

在電子觀測方面,2008年基于ATIC 探測器的相關(guān)研究報(bào)道了宇宙高能電子觀測結(jié)果[24],即高能電子能量在300～800 Ge V 區(qū)間,比理論模型高了近3倍。這些超出可被解釋為暗物質(zhì)粒子湮滅或衰變的產(chǎn)物。ATIC 探測器的結(jié)果表明：電子觀測的科學(xué)意義重大,因此,許多最初觀測目的不是電子的探測器都開始進(jìn)行電子測量。2009年5月,FERMI伽馬射線望遠(yuǎn)鏡公布了其半年的電子觀測數(shù)據(jù)[25],發(fā)現(xiàn)電子能譜在高能段明顯比模型預(yù)期的流量偏大,譜指數(shù)偏高,意味著存在額外的正、負(fù)電子成分,這可能和前文所述的正電子超出具有相同來源。雖然目前針對暗物質(zhì)的研究已出現(xiàn)較多的理論模型,并得到大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),但至今還沒有準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)來證明暗物質(zhì)粒子是否存在。

圖1 AMS-02測得的正電子流量以及用約1.2 TeV的暗物質(zhì)粒子擬合的結(jié)果Fig.1 Positron flux measured by AMS-02 and fitting result of dark matter particle with energy about 1.2 TeV

圖2 AMS-02測得的反質(zhì)子流量和用47 GeV的暗物質(zhì)粒子擬合的結(jié)果Fig.2 Anti-proton flux measured by AMS-02 and fitting result of dark matter particle with energy of 47 GeV

3 “悟空號”暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星

我國早在20世紀(jì)90年代就開始了空間暗物質(zhì)粒子間接探測實(shí)驗(yàn)。1998年,中國科學(xué)院紫金山天文臺提出了相關(guān)科學(xué)目標(biāo)。1999年,研究人員在加速器上驗(yàn)證了相關(guān)的關(guān)鍵探測方法,并從2000年開始花了10年時(shí)間解決了所有的關(guān)鍵技術(shù)。2011年12月,我國首顆暗物質(zhì)探測衛(wèi)星“悟空號”立項(xiàng)[26],經(jīng)過4年研制了4套樣機(jī)。2012—2015年,衛(wèi)星探測器在歐洲核子中心進(jìn)行了詳細(xì)標(biāo)定。2015年12月17日,“悟空號”衛(wèi)星在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長征二號丁運(yùn)載火箭成功發(fā)射,如圖3所示。2016年3月,該衛(wèi)星被交付于中國科學(xué)院紫金山天文臺,正式進(jìn)入科學(xué)運(yùn)行階段。截至2019年4月,該衛(wèi)星已平穩(wěn)在軌運(yùn)行了3年,獲得了大量高品質(zhì)的觀測數(shù)據(jù)。

圖3 “悟空號”衛(wèi)星在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射Fig.3 Launch of DAMPE in Jiuquan satellite launching center

“悟空號”衛(wèi)星的主要目標(biāo)是在空間探測高能粒子,在暗物質(zhì)粒子探測、宇宙射線起源和伽馬射線天文研究3 個(gè)方面取得突破。在暗物質(zhì)粒子探測方面,“悟空號”衛(wèi)星要尋找3類特征信號：伽馬射線譜線、暈狀分布的伽馬射線,以及奇異電子能譜結(jié)構(gòu)。這3類信號是暗物質(zhì)的特征信號,與其他天體物理過程所形成的信號有顯著區(qū)別,對研究暗物質(zhì)特別重要。由于宇宙射線成分比較復(fù)雜,各種粒子的流量相差很大,如“悟空號”衛(wèi)星需要觀測的高能電子和伽馬射線的流量只有質(zhì)子的1/103和1/106左右?！拔蚩仗枴毙l(wèi)星最關(guān)鍵的功能是將流量相差很大的各種高能粒子進(jìn)行區(qū)分并準(zhǔn)確測量其物理參數(shù)。對于關(guān)鍵物理量(如電荷、能量、方向等),設(shè)計(jì)時(shí)采用2 種獨(dú)立的測量方式,以保證結(jié)果的高可靠性。

“悟空號”衛(wèi)星的質(zhì)量為1 850 kg,探測器的質(zhì)量為1 415 kg,從頂部到底部共有4個(gè)子探測器,如圖4 所示。由圖可見,頂部是塑料閃爍體探測器(PSD),往下依次是硅微條探測器(STK)、鍺酸鉍量能器(BGO)和中子探測器(NUD)。每個(gè)子探測器都有不同功能,4個(gè)子探測器協(xié)同工作,從而實(shí)現(xiàn)對高能電子、伽馬射線和宇宙射線粒子的高分辨觀測。

圖4 “悟空號”衛(wèi)星探測器組成Fig.4 Constitution of detectors in DAMPE

PSD 的主要功能是測量入射粒子電荷。太空中的粒子多種多樣,例如：伽馬射線不帶電,電荷為0;電子的電荷為-1;正電子的電荷為+1;質(zhì)子的電荷為+1;從氫到鐵的原子核,電荷逐漸增加。因此通過高精度測量入射粒子的電荷可鑒別大多數(shù)的粒子。電荷測量的原理是帶電粒子在閃爍體中通過電離過程沉積能量,能損率正比于粒子電荷的平方?！拔蚩仗枴毙l(wèi)星的PSD 對質(zhì)子的電荷分辨率是0.12 eV,對于鐵的分辨率是0.28 eV,其電荷分辨率與世界上所有空間探測器的最高水平相當(dāng)。

STK 的主要功能是測量粒子的方向和電荷。STK 的研制水平可用位置分辨精度來表示,“悟空號”衛(wèi)星上的STK 的位置分辨精度優(yōu)于60μm,這表明探測器空間分辨水平達(dá)到了國際上最先進(jìn)的伽馬射線望遠(yuǎn)鏡的水平。

BGO 是“悟空號”衛(wèi)星最核心的探測器,其質(zhì)量超過所有探測器質(zhì)量的70%。BGO 的主要任務(wù)是測量入射粒子的能量和方向,并鑒別粒子的種類。BGO 的能量分辨率在Te V 能段優(yōu)于1.5%,為國際最高水平,遠(yuǎn)超世界上所有空間探測器的水平。

NUD 的主要功能是鑒別粒子的物理屬性。已知宇宙射線的質(zhì)子、重核都會與探測器作用產(chǎn)生大量的次級中子,而電子和伽馬射線產(chǎn)生的次級中子數(shù)目要少很多,根據(jù)這一特點(diǎn),用NUD 來鑒別電子/伽馬和原子核。

“悟空號”衛(wèi)星共有75 916路信號通道,是我國在軌飛行的電子學(xué)方面最復(fù)雜的衛(wèi)星。國內(nèi)參與“悟空號”衛(wèi)星研制的單位有中國科學(xué)院紫金山天文臺、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國科學(xué)院高能物理研究所、中國科學(xué)院近代物理研究所和中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心;此外,瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)和意大利佩魯賈大學(xué)也參與了部分探測器的研制。

4 暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星的在軌運(yùn)行情況

“悟空號”衛(wèi)星的軌道為太陽同步軌道,軌道高度為500 km,三軸穩(wěn)定,指向天頂,每天的數(shù)據(jù)量約為13 GB。衛(wèi)星的設(shè)計(jì)壽命為3年。根據(jù)現(xiàn)在的測試結(jié)果,所有的探測器工作正常,預(yù)計(jì)衛(wèi)星真正在太空服役的時(shí)間要遠(yuǎn)超其設(shè)計(jì)壽命?！拔蚩仗枴毙l(wèi)星每軌運(yùn)行時(shí)間約為95 min,每天繞地球15圈,平均每秒獲得60 個(gè)高能粒子,每天獲得500 萬個(gè)高能粒子。自發(fā)射至今,衛(wèi)星工作穩(wěn)定。

為了獲取暗物質(zhì)湮滅可能產(chǎn)生的微小信號,衛(wèi)星需要具有極高的靈敏度,如電子/質(zhì)子的排斥比要達(dá)到106才能把電子從質(zhì)子背景中挑選出來。為達(dá)到這種接近極限的性能,需對探測器每部分進(jìn)行細(xì)致調(diào)節(jié),所以設(shè)計(jì)中使探測器的一些參數(shù)可在軌重新設(shè)置,根據(jù)不同的條件和測量要求,探測器可選擇多種運(yùn)行模式。雖然探測器在地面上進(jìn)行了振動測試和熱真空測試,但在衛(wèi)星發(fā)射過程中,強(qiáng)烈振動可能會使探測器的結(jié)構(gòu)發(fā)生微小形變;衛(wèi)星在太空運(yùn)行時(shí),也會受復(fù)雜的熱環(huán)境和軌道環(huán)境的影響,其結(jié)構(gòu)、電子學(xué)等處于動態(tài)變化中。這就需要對探測器進(jìn)行在線刻度[27],且這種校準(zhǔn)和刻度會持續(xù)整個(gè)探測器的運(yùn)行期,包括對觸發(fā)延遲的優(yōu)化、零壓縮數(shù)據(jù)臨界值的判斷、觸發(fā)閾值、探測器增益、最小離子化能量沉積粒子的響應(yīng)、光波導(dǎo)的衰減、南太平洋異常區(qū)的判斷、探測器活時(shí)間的判定和探測器標(biāo)定等。

此外,探測器在一個(gè)軌道運(yùn)行過程中,還要經(jīng)歷多次模式切換,一個(gè)是校準(zhǔn)模式,即當(dāng)探測器飛行到緯度20°附近時(shí),探測器不采集科學(xué)數(shù)據(jù),只對電子學(xué)的線性和基線進(jìn)行校正。等待該工作完成后,探測器才切換到數(shù)據(jù)采集模式。

5 暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星的數(shù)據(jù)處理和最新結(jié)果

“悟空號”衛(wèi)星前530天的觀測數(shù)據(jù)記錄了28億個(gè)高能粒子事例,從中篩選出150萬個(gè)高能電子,它們覆蓋的能段范圍為25 Ge V～5 Te V?；谶@些事例得到的電子能譜如圖5所示。相比于以前的空間實(shí)驗(yàn)結(jié)果,“悟空號”衛(wèi)星測得的電子能量最高接近5 Te V,超過了阿爾法磁譜儀(AMS-02)的1 Te V和費(fèi)米伽馬射線空間望遠(yuǎn)鏡的2 Te V,開辟了宇宙觀測的新窗口。

圖5 宇宙高能電子能譜(“悟空號”衛(wèi)星前530天的觀測數(shù)據(jù))Fig.5 Cosmic high-energy electron spectrum(data measured by DAMPE in first 530 days)

“悟空號”衛(wèi)星直接測量到了電子能譜在約0.9 Te V處的拐折[28],這個(gè)拐折澄清了Te V 能區(qū)電子的能譜行為,為判斷Te V 以下的高能電子宇宙射線是否來自暗物質(zhì)湮滅提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。目前,“悟空號”衛(wèi)星正在持續(xù)積累數(shù)據(jù),希望能夠通過更多的觀測數(shù)據(jù)最終澄清該現(xiàn)象的物理本質(zhì)。

6 總結(jié)及展望

截至2019年4月,暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空號”已經(jīng)延壽2年,將會在太空持續(xù)采集數(shù)據(jù),進(jìn)一步降低測量統(tǒng)計(jì)和系統(tǒng)的誤差,并澄清一些前期實(shí)驗(yàn)?zāi)：磺宓膯栴}。當(dāng)然,“悟空號”也面臨著一些挑戰(zhàn),如：在高能區(qū),極低的宇宙線能量使數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)量極少;較高的統(tǒng)計(jì)誤差限制了結(jié)論的置信度等。通過增加探測器面積、增大立體角等可部分解決這些問題,但會使探測器成本劇烈上升,運(yùn)行難度加大;在高能宇宙線區(qū),宇宙線粒子同探測器的響應(yīng)復(fù)雜,物理描述比較模糊,使數(shù)據(jù)分析的難度加大。采用新的探測原理、新的數(shù)據(jù)處理方法,可能會部分解決這些問題。針對暗物質(zhì)探測,目前的探測器基本運(yùn)行在地球軌道,探測的信息也被限制在銀河系內(nèi),造成物理結(jié)論的獲得受限。暗物質(zhì)探測是系統(tǒng)工程,必須集中人類最新的研究成果,綜合多種手段和多種實(shí)驗(yàn)方法在多個(gè)層面上進(jìn)行驗(yàn)證,才有可能解決這些問題。