暗物质商量猎取关键进展!“悟空”卫星获得世界上最确切高能电子宇宙线能谱

“悟空”卫星在轨运行的前530天共采集了约28亿高能宇宙射线,其中包含约150万25GeV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最精确的电子宇宙射线探测结果。

11月30日消息,11月30日凌晨2点(就在刚刚),《自然》杂志首次在线发表中科院暗物质粒子探测卫星“悟空”(DAMPE)的探测成果:“悟空”卫星的科研人员成功获得了目前世界上最精确的高能电子宇宙线能谱。

暗物质粒子探测卫星悟空号于2015年12月17日发射成功,是中国的首颗天文卫星。记者今天从中科院紫金山天文台获悉,卫星在轨运行的前530天共采集了约28亿颗高能宇宙射线,其中包含约150万例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TeV电子宇宙射线探测结果。该成果于北京时间2017年11月30日在Nature杂志在线发表。

在中国科学院27日召开的新闻发布会上,我国暗物质粒子探测卫星“悟空号”首席科学家常进对外宣布了这一重大消息。对于公众普遍关心的暗物质探测话题,这一发现意味着什么?

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。暗物质粒子探测卫星“悟空”(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。

据介绍,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”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“经济适用型”观测。1 GeV=10亿电子伏特,而1
TeV=1万亿电子伏特;人类眼睛最敏感的可见光的能量约为2电子伏特。

根据人们已知的物理规律,来自宇宙空间的粒子能谱(能谱指的是粒子数目随能量的变化情况)有其特定的分布,一般是随着能量升高其数目逐渐下降。如果能谱出现异常,便意味着可能有新的物理原因。根据目前理论物理学家的推测,如果暗物质粒子相互碰撞并湮灭,将产生高能电子。那么到空间去精确地探测高能电子能谱,就可以发现暗物质存在的蛛丝马迹。“悟空”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。

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悟空号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,在中国科学院基础局、科技部的支持下研制了原理样机。2011年12月21日该项目被正式列入中国科学院战略先导专项-空间科学专项,常进研究员担任卫星的首席科学家。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。瑞士的日内瓦大学、意大利国家核物理研究院也参与了硅子探测器的研发。卫星平台由中科院微小卫星研究院研发;地面科学应用系统由紫金山天文台牵头,中国科学技术大学、日内瓦大学等合作单位都参与了建设并为物理分析软件的研发做出了重要贡献。

据常进介绍,与目前国际上其他暗物质空间探测设备如AMS-02、
Fermi-LAT相比,“悟空”卫星的电子宇宙射线的能量测量范围有显著提高,拓展了我们观察宇宙的窗口。

“悟空”卫星采用了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,实现了对高能(5
GeV-10 TeV)电子、伽马射线的“经济适用型”观测。1 GeV=10亿电子伏特,而1
TeV=1万亿电子伏特;人类眼睛最敏感的可见光的能量约为2电子伏特。

值得一提的是,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,悟空号尽管成本相对低,但在“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信号。

记者了解到,“悟空”卫星采用了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,实现了对高能(5
GeV-10TeV)电子、伽马射线的“经济适用型”观测。“1GeV=10亿电子伏特,1TeV=1万亿电子伏特。人类眼睛最敏感的可见光的能量约为2电子伏特。‘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信号。”常进告诉记者。

“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变化情况)信号。

据介绍,与之前结果相比: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;测量到的TeV电子的能量最准、“纯净”程度最高,也就是其中混入的质子数量最少;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。此外,悟空号的数据初步显示在~1.4
TeV处存在能谱精细结构。目前,悟空号运行状态极佳,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重大发现。

不仅探测的能量范围有了显著提高,“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。

“悟空”卫星在轨运行的前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。该成果于2017年11月30日(北京时间)在Nature杂志在线发表。

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在这样的“高段位、高配置”之下,经过530天的观测积累,“悟空”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。此外,“悟空”卫星的数据初步显示在~1.4
TeV处存在能谱精细结构。

与之前结果相比:

图:悟空号工作530天得到的高精度宇宙射线电子能谱,以及和美国费米卫星测量结果、丁肇中先生领导的阿尔法磁谱仪的测量结果的比较。(中科院紫金山天文台供图)

这是否意味着已经发现了暗物质?对此,常进指出:目前的这个探测结果还不能确认我们已经发现暗物质。目前“悟空”卫星运行状态良好,正持续收集数据,一旦在~1.4
TeV处存在的能谱精细结构得以确证,将是粒子物理或天体物理领域的开创性发现。

(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。

据悉,这一重大成果已于2017年11月30日在Nature杂志在线发表。常进告诉记者,再经过一年多时间的持续观测和数据积累,有望于明年年底发布“悟空”的第二批科研成果。

(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。

暗物质,我们如何才能找到你?

(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。

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