[科普中国]-暗物质粒子探测卫星的前世今生

为了拨开暗物质这朵乌云，世界各国的物理学家们都在不断努力着。我国也充分认识到了这一前沿领域研究的重要性，发射了暗物质粒子探测卫星“悟空”。它的科学目标、探测原理是什么呢？

探测原理
DAMPE通过探测高能宇宙射线来探测暗物质。
1.什么是高能宇宙射线？
指的是来自宇宙中具有相当大能量的带电粒子流，1912年由德国科学家韦克多?汉斯发现。他制作了一个电离室，用于测量空气中的电离度（空气中的带电粒子数量）。同时期也有其他的科学家制作电离室，汉斯的创新之处在于，他将电离室放在热气球上，这样在放飞前，能测量出地面的电离度，放飞后，能测量出不同海拔高度的电离度。而汉斯的测量结果显示：海拔越高，电离度越大。
这说明带电粒子并不是地球产生的，否则不会越远离地面，电离度越高。也就是说，宇宙空间会产生带电粒子，再打到地球上。
宇宙线产生后，在银河系传播的过程中，有一定的几率逃脱银河系，跑到宇宙空间去，这样宇宙线的能量就会越来越低。但实际上宇宙线的能量是比较稳定的。这是因为宇宙线有源头，宇宙线的源头一般认为是超新星的爆发。当超新星爆炸的时候，会将自身的高能量粒子，例如氢核、氦核，以非常高的速度抛射到星系空间中。
2.为什么测量高能宇宙射线有可能发现暗物质？
宇宙线的源头一般认为是超新星爆发，而如果暗物质存在的话，暗物质湮灭的时候产生的宇宙线，就成为了宇宙线的额外来源，这时候探测到的宇宙线会不同于标准模型，多出来的一部分可能来源于暗物质湮灭或者衰变，对这多出的一部分进行探测，就是暗物质的间接探测。由诺贝尔物理学奖获得者丁肇中主持的AMS项目中的暗物质粒子探测卫星AMS-2，就是应用的这一原理。我国的暗物质粒子探测卫星也是一个宇宙线探测器，就是应用这类机制来探测暗物质。

DAMPE****的科学目标
我国暗物质粒子探测卫星的主要科学目标有三个：一是暗物质间接探测，也是最主要的；二是寻找宇宙射线的起源；三是伽马射线天体物理。
DAMPE瞄准的科学目标非常前沿。美国国家研究理事会所提出的重大的宇宙物理学前沿问题中，第一个为暗物质，第六个是宇宙线。这两个都是DAMPE瞄准的目标。

DAMPE****的结构及功能
1.暗物质卫星由哪几部分组成？

图1：DAMPE内部结构

从上往下依次是：塑料闪烁体探测器；Si阵列探测器；BGO量能器，中子探测器。
BGO量能器：一根根碳纤维管，搭建成阵列，然后插上一根根的BGO晶体。因为BGO晶体的生成非常困难，所以价值不菲，整个量能器仅晶体部分，就造价三千万左右。中科院上海硅酸盐所在BGO晶体生成领域全球领先，这些BGO晶体是由该所专门为DAMPE的需求设计的。
全部搭建完毕后，会将探测器放在中间，然后四周包上电子电路组成的探测系统。
2.各自的作用是什么？
塑料闪烁体探测器：区分电荷。电子和光子打进来，是不同的。
Si阵列探测器：测量宇宙线的方向和电荷。
BGO量能器：最为重要，测量宇宙线的能量。

中子探测器：区分质子和电子。如上图所示，质子打进来的话，在底端会产生很多中子，而高能宇宙线的电子打进来，产生的中子很少。
同时，不同能量产生的簇射的大小也不同。
3.我国暗物质卫星，从配备上说有哪些优势？
与国际上其它暗物质探测卫星相比，有三个显著优势。
一是能够测量的宇宙线的能量非常高，可以测量到104个GeV；二是能量分辨率高，可以达到1%左右，测得比较准；三是测量能量的本底比较低，也就是区分电子和质子的能力非常强。