[科普中国]-“悟空”号卫星发现宇宙中或存新粒子，暗物质理论受挑战

北京时间2017年11月30日凌晨两点，《自然》杂志在线发表一篇来自中国的重量级科研成果，中国暗物质粒子探测卫星“悟空”号获得世界上最精确的高能电子宇宙线能谱，并在1.4TeV(万亿电子伏特)处发现反常结构，揭示宇宙中或存在相应质量的新粒子。如果这一发现得以确证，将是粒子物理或天体物理领域的开创性发现，现有的很多理论包括暗物质模型都将受到冲击。什么是暗物质怎样探测暗物质大家都知道，因为万有引力的存在，银河系内所有星星都绕着其中心旋转。每个星星的运动速度必须与束缚它的引力达成平衡才不至出轨；而且引力越强，其运动速度越快。实际观测却发现，星星的转速比根据牛顿和爱因斯坦的引力理论计算的结果大很多。说明宇宙中还存在着一类看不见的物质，在为星系提供引力。科学家称之为“暗物质”。暗物质看不见摸不着，也不参与电磁相互作用，因此不能用任何光学手段直接观测。但是它的存在却关系着宇宙的演化与发展、物质的结构和起源、天体的形成和分布，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。科学家认为，暗物质粒子相互碰撞，会产生数量可观的（可见的）高能电子和伽马射线。这些粒子随着宇宙射线（来自外太空的高能粒子）中的其他粒子一起，铺天盖地向地球袭来。如果能准确捕捉到这些粒子的能量、位置分布，将为暗物质的存在提供有力证据。看不见的暗物质粒子相互碰撞、湮灭，产生可见的正负电子、伽马射线等粒子悟空号的重大成果“悟空”号暗物质粒子探测卫星，就是专为寻找暗物质而研制的。它采用中国科学院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，实现了对宇宙射线中超高能电子、伽马射线的“经济实用型”观测。常进研究员担任卫星的首席科学家。“悟空”卫星在“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分布情况）信号。悟空号暗物质粒子探测卫星在轨道上“悟空”号自2015年12月17日发射升空以来，在轨工作530天，共采集了约28亿颗高能宇宙射线，其中包含约150万颗25GeV以上的电子宇宙射线。基于这些数据科研人员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1所示。与之前结果相比：(1) “悟空”卫星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”卫星测量到的TeV电子的“纯净”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”卫星首次直接测量到了电子宇宙射线能谱在~1 TeV处的拐折，该拐折反映了宇宙中高能电子辐射源的典型加速能力，其精确的下降行为对于判定部分（能量低于1 TeV）电子宇宙射线是否来自于暗物质起着关键性作用。尤为重要的是，“悟空”卫星的数据初步显示在~1.4 TeV处存在能谱精细结构。这在理论上都未曾预料到！（该信号被专家认为可能来自一种质量为1.4TeV的新物理粒子的湮灭，或者某种奇特天体可以加速出单一能量的高能电子）目前“悟空”卫星运行状态良好，正持续收集数据，一旦该精细结构得以确证，将是粒子物理或天体物理领域的开创性发现。图1：“悟空”卫星工作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。科学家：新发现揭示了暗物质粒子可能存在的新证据对于该次发现（精确的高能电子宇宙线能谱），暗物质卫星科学应用系统副总工程师、紫金山天文台研究员范一中解释道：“通常认为，电子宇宙射线来自天体物理源，比如脉冲星、超新星遗迹，但更吸引人的，是它们（中的一部分）可能来自于暗物质的湮灭和衰变。”一般认为，1TeV以下的电子宇宙线能谱中的异常，可能来自于新天体物理源或暗物质的湮灭或衰变，但如果这一说法成立，就必须在谱线的高能部分中找到对应于这两种机制应有的“转折点”（即上文提到的“拐折”）。“转折点”以及其后的能谱下降行为反映了宇宙中高能电子辐射源的典型加速能力，下降行为的精准测量可能对于判定部分（能量低于1TeV）电子宇宙射线是否来自于暗物质起着关键性作用。由于以往测得的宇宙射线能谱高能部分不够宽，因而这种“截断点”难以看到。现在悟空号最精确的给出了这一数据：确实在1TeV附近存在这种转折。“我们真的很幸运，我们的确找到了这个转折。”范一中说到。但谱线中1.4TeV处存在的跳变（即上文提到的“精细结构”），才是更吸引人的一个重大发现，之前没有任何理论物理学家预言过这一现象。对此，紫金山天文台与中国科学技术大学的工作人员反复确认了1年半的时间。要解释这一现象，“理论物理学家面临的选择是不多的，能谱此处的电子速度只比光速小十万亿分之一”，范一中说到。对于这一新奇现象，中国科学院大学常务副校长、中科院院士吴岳良认为：有两种机制可能产生这种电子能谱。一种是邻近天体短暂产生了高能电子，即现象来自“短暴源”，如脉冲星云、超新星遗迹。但是悟空号测得的能谱与通常脉冲星能谱的幂律指数有一定区别，表示该种可能性不大。另一种则是宇宙中存在可以连续产生高能电子的天体，即现象来自“连续源”，比如暗物质聚集在距离比较近的中等质量黑洞周围，或是星系周围存在大量的质量为一千万倍太阳左右的暗物质子结构，形成一种“暗物质子晕”。总之，“‘悟空’的暗物质实验观测到的1.4TeV附近的尖锐电子能谱，可以说揭示了暗物质粒子可能存在的新证据。”吴岳良说到。目前悟空号还在持续收集数据，如果这一发现（1.4TeV处的跳变）得以确证，必将是粒子物理或天体物理领域的开创性发现，现有的很多理论包括暗物质模型都将受到冲击。据了解，“悟空”卫星是中国科学院空间科学战略先导专项的首发星，它最早由紫金山天文台的常进研究员于2005年提出，在原中国科学院基础局、科技部的支持下研制了原理样机。该卫星的探测器由紫金山天文台、中国科学技术大学、近代物理研究所、高能物理研究所与国家空间科学中心联合研制。文章由企鹅科学和科普中国联合推出转载请注明来自“科普中国”