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    暗物质粒子探测卫星(悟空号)首批成果发表

    日期 2017-11-28   来源:   作者:  【 】   【打印】   【关闭

    本文提要:悟空号暗物质粒子探测卫星于2015年12月17日成功发射,通过两年的观测,首批成果(530天数据)将于北京时间2017年11月30日凌晨2点发表在《自然》(Nature)杂志上。悟空号是目前国际上最高分辨、最低本底的TeV空间高能粒子望远镜。悟空号首次直接测量到了电子宇宙射线能谱在~1 TeV处的拐折,这个拐折有助于揭示空间TeV以下的部分电子(包括正电子)超出是否来自于暗物质湮灭。悟空号在~1.4 TeV处发现了能谱精细结构的初步证据,正在继续收集数据,一旦该精细结构最后得以确证,这将是粒子物理或天体物理领域的开创性发现,具有重要的物理意义。

      天文观测表明宇宙中的暗物质比人类目前熟悉的普通物质(也就是标准粒子物理模型能解释的物质)要多5倍,其物理本质是目前国际上粒子物理和天体物理领域的最重大问题之一。悟空号(DAMPE)的核心使命就是在宇宙线和伽马射线辐射中寻找暗物质粒子存在的证据,并进行天体物理研究。

      悟空号采用了紫金山天文台研究人员自主提出的分辨粒子种类的新探测技术方法,实现了对高能(5 GeV-10 TeV)电子、伽马射线的空间观测。1 GeV=10亿电子伏,而1 TeV=1万亿电子伏;人类眼睛最敏感的可见光的能量约为2电子伏。通过国家自然科学基金委员会20年的连续支持,目前该方法成为空间高能电子和伽马射线探测的通用技术。美国、日本探测器都采用了类似方法。

      悟空号是中国科学院空间科学战略先导专项的首发星,由紫金山天文台、中国科学技术大学、近代物理研究所、高能物理研究所、国家空间科学中心和中科院微小卫星研究院等单位联合研制。瑞士的日内瓦大学、意大利的佩鲁贾大学也参与了硅子探测器的研发。

      尽管成本相对低(国际上的空间暗物质探测器阿尔法磁谱仪AMS-02、费米卫星分别耗资20亿、7亿美金),悟空号在“高能电子、伽马射线的能量测量准确度”以及“区分不同种类粒子的本领”这两项关键技术指标方面世界领先,尤其适合寻找暗物质粒子湮灭过程产生的一些非常尖锐的能谱(能谱指的是电子数目随能量的变化情况)信号。

      悟空号于2015年12月17日发射成功,是中国的首颗天文卫星。利用其在轨运行前530天采集的数据,科研人员已成功获取了目前国际上精度最高的电子宇宙射线探测结果,如图所示。该成果将于北京时间2017年11月30日凌晨2点在Nature杂志发表。

      与之前结果相比:

      (1)悟空号的电子宇宙射线的能量测量范围比起国外的空间探测设备(AMS-02, Fermi-LAT)有显著提高,拓展了我们观察宇宙的窗口。

      (2)悟空号测量到的TeV电子的“干净”程度最高(也就是其中混入的质子数量最少),能谱的准确性高。

      (3)悟空号首次直接测量到了电子宇宙射线能谱在~1 TeV处的拐折,这个拐折反映了宇宙中的高能电子加速器的典型能力,很多的理论家认为该拐折的精确测量是正确理解<1 TeV的电子宇宙射线物理起源的秘匙,尤其是有助于揭示是不是部分(能量在1 TeV以下的)电子宇宙射线来自于暗物质湮灭。因此丁肇中先生及其领导的AMS-02团队2013年以来一直渴望能精确测量出该拐折。悟空号不负众望,在激烈的竞争中拔得头筹。

      (4)悟空号在~1.4 TeV处发现了能谱精细结构的初步证据,预示着宇宙空间中存在着“质量为1.4 TeV左右的新物理粒子”或者某种奇特的天体可以加速出单一能量的高能电子。此前人们只能在实验室中(例如欧洲的大型强子对撞机实验中)通过精确的调节实验装置才能得到类似的单能量粒子束。悟空号正在持续收集数据,一旦该精细结构最后得以确证,这将是粒子物理或天体物理领域的开创性发现。

     

    图:悟空号工作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。

      目前悟空号卫星工作状况极佳,由于空间高能信号很微弱,需要大量的观测时间。预计后边悟空号卫星将会有系列重大结果。




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