如何解读 11 月 30 日紫金山天文台公布的暗物质粒子探测卫星「悟空」重大成果？

WQEQ

中国科普博览免费 Live：解读「悟空」暗物质粒子新发现
《自然》杂志 11 月 29 日发表我国暗物质粒子卫星「悟空」的首个科学成果，宣布获得了世界上最精确的高能电子宇宙线能谱。
Direct detection of a break in the teraelectronvolt cosmic-ray spectrum of electrons and positrons

GRcSXZPy

作者：袁强（中国科学院紫金山天文台）
是呀是呀，刚刚发的文，宣布“悟空”获得了世界上最精确的高能电子宇宙线能谱。
                              
               
https://www.zhihu.com/video/919621132607455232
                          “悟空”至今已稳定在轨运行接近2年，全天扫描了4次，获取了35亿高能宇宙射线事例。
由于其独创性的设计，“悟空”号卫星的花费比国际同类仪器少数倍到数十倍，但是却在电子/伽马的能量测量精度和质子-电子鉴别能力等指标上达到了国际最高水平，从而也成为国际上探测暗物质的利器。
“悟空”号卫星今日发布的第一个重大科学成果，就是给出了高能宇宙射线电子能谱最为精确的测量结果。

“悟空”的电子宇宙射线能谱
等等，似乎有哪儿不太对。
说好的暗物质粒子探测卫星呢？第一次发布的重大成果怎么是“获得了高能电子宇宙线能谱”？

热评：无知限制了我的想象力
我们都知道，暗物质的探测有三种方法，“上天入地对撞”。“悟空”采用的就是“上天”的方法，这种方法指的是发射空间高能粒子探测器，探测暗物质湮灭或衰变的产物粒子，例如正负电子、正反质子、伽马光子等。因为这些粒子无法穿过地球大气层，所以需要“上天”。
这种方法的基本思路很简单，虽然我们“看不到”暗物质粒子，但暗物质粒子在与暗物质粒子碰撞后，会产生我们能够“看到”的粒子，例如伽马射线、电子和正电子、质子和反质子、中微子等。通过探测“看的到”的，来探测“看不到”的。
而且，暗物质粒子湮灭过程中产生的高能电子，反映在能谱上，会是一些奇特的特征信号。根据常规的天体物理过程，电子能谱是平滑变化的，而暗物质湮灭产生的电子谱则会在其对应的质量处呈现出一个截断，或者甚至有可能产生单一能量的电子，这样在电子能谱上可能会看到快速截断或者单能线谱一类的特征。
如果我们的卫星探测精度足够高，是有可能揭示这些特殊结构的。这也是暗物质粒子探测卫星发布的第一个成果是获得高能电子宇宙线能谱的原因。
没毛病！


说回这次的结果。这一结果反映出了电子宇宙射线能谱的两个有趣特征：
1) 电子能谱在大约1 TeV（万亿电子伏特，相当于可见光能量的一万亿倍）能量处呈现出一个拐折；
2）在能量约1.4 TeV处发现一个尖峰状结构。


得益于“悟空”号的高能量分辨率和低本底混入率，它的精确测量结果可以显著地改善我们对电子宇宙射线模型的认识。
1）第一个能谱拐折，在之前的实验HESS中，曾观测到类似迹象，但由于误差很大，不能明确下结论。而空间实验Fermi-LAT的结果却表面没有拐折。“悟空”号的结果清晰无误地测量出了这个拐折。
这个拐折说明银河系中电子宇宙射线源的分布特征出现了明显变化。
因为电子在宇宙空间中传播的时候会通过同步辐射等过程损失能量，越是高能量的电子损失能量的速率越快。这意味着越是高能的电子，传播的范围越小。
例如，对于1 TeV能量的电子，基本上只能传播3000光年的距离，而10 GeV的电子则可以传遍整个银河系。由于高能电子的传播范围小，在这个范围内，源的数目也很稀少，因此我们在地球附近观测到的高能电子很可能只是来自于个别源。而低能电子情况有所不同，那是大量源的平均效应。
打个比方，就好像我们炖了一锅骨头豆子汤，如果把骨头切成和豆子一般大小，那我们随便盛一勺汤里面总会是豆子骨头都有。但往往骨头要大块很多，数量也不可能像豆子那么多，这个时候盛一勺可能有骨头也可能就没有骨头。
2）第二个特征则是“悟空”号率先观测到的，之前的所有实验中都没有看到类似现象。可以说，1.4 TeV处的结构则是所有人都没有预期到的新现象！
这意味着可能在宇宙空间中存在质量约1.4 TeV的新粒子，或许就是人们长期以来苦苦搜寻的暗物质粒子。

“悟空”号对宇宙射线电子能谱的测量结果（红点），以及与之前别的实验观测结果的对比（来自Nature, 2017）
另一种可能性是宇宙中存在某类独特的粒子加速器可以将电子加速到单一能量。要知道，此前只有在实验室中通过精细调节实验装置，我们才能够获得单能粒子束。我们猜测，脉冲星可能可以扮演这个角色。

史上最经典脉冲星图（科普FAST的时候用你，科普“悟空”还用你）
脉冲星是恒星死亡后留下的一种遗迹，是一种极端致密、强磁场、快速转动的天体。脉冲星非常稳定的转动形成的感应电场或许可以加速出单一能量的高能电子。
无论是哪种情况，这都将是粒子物理或天体物理领域的开创性发现！


虽然“悟空”号的首秀就发现了超出人们预期的新现象。不过，由于高能量粒子数量稀少，现在还不能完全排除是统计波动的影响。“悟空”号的当务之急是继续收集数据，提高统计量，以确切地验证该新结构的真实性。可以预计，再经过一到两年的时间，“悟空”号的数据将对1.4 TeV这个结构的真实性给出明确的结论。
这里需要补充一点，很多人关心“悟空”号未来还要在轨运行多久、能收集到多少粒子。目前，“悟空”的工作状态十分稳定，每天平均收集500万个粒子，预计还将服役3年，理想状况下，我们将还能收集到50亿个粒子，届时我们将对许多问题给出清晰的说明。
另一方面，“悟空”号的结果也给别的实验提供了一个潜在的目标，给出了参考指标。
例如，未来的对撞机实验可以有针对性地对这个能量段进行设计；地下实验也可以试图提高对更重的暗物质粒子探测的灵敏度；别的空间实验可以验证“悟空”号的结果或者进行伽马射线等观测辅助检验该结果的物理起源（暗物质模型和天体物理模型会预期不同的伽马射线信号）。


说完这些以后，隔壁班的小花同学依然特别任性得问，“开创性什么的我不管我不管！所以暗物质被发现了吗？”
很遗憾，目前还不能说暗物质被发现了。但“悟空”正在用它的火眼金睛，洞察宇宙的奥秘。
预知更多详情，欢迎来免费听live 解读「悟空」暗物质粒子新发现



出品：科学大院
科学大院是由博览运营的院官方科普微信公众号，欢迎订阅（ID： kexuedayuan），集齐中科全家桶：）

坏人/fw

昨天早上起来看到了“悟空”团队在Nature上发表的新文章。Nature文章的内容来主要是描述悟空探测到的电子谱。从数据上看，可以说悟空完美的达到了设计指标，甚至还有超过，意味着在２Tev以上的电子能谱探测方面，悟空没有对手。祝贺紫金山天文台的悟空团队！悟空对研究宇宙线粒子的科学家来说是一个数据宝库。
但从昨天开始，各种媒体都在题目里风炒发现暗物质新“证据”，我觉得说的可能有点过了或者说太标题党了，感觉说是新“线索”合适一些。捧得太高，对悟空团队后续工作其实也没有什么好处。而且从Nature文章看，全文都没有详细讨论1.4Tev的尖峰，足以说明科学家团队看待这个“尖峰”是很谨慎的。
单靠悟空的数据，可以找到暗物质的线索，但是无法完全确认或者否认暗物质存在。科学研究就是这样，５分钟的新闻，背后可能是５０年的努力，和媒体的需求完全相反。
Arxiv上目前已经有一些对电子谱的理论解释的文章，还有一些类似的文章明天会贴出来。从文章看，如果尖峰是真实的，可能有两种解释：
１．由脉冲星产生的。
今天和同事们讨论了一下，总觉得觉得附近有脉冲星能够发出单能态的电子太奇怪了。如果真的脉冲星能够解释这种单能的尖峰，那么基本上以后类似观测，发现任何尖峰都无法排除脉冲星的可能性了。那对暗物质搜寻真是一个大打击。
２．暗物质湮灭产生的。
可能需要一个100-1000万太阳质量的暗晕在距离地球比较近的地方（或者要求太阳系附近暗物质密度异常的高）。
但是，如果暗物质能够产生这么高能量的电子，多半是冷暗物质。冷暗物质宇宙中的结构形成是比较确定的。这么大的子暗晕在银河系里很少，而且太阳系在银河系暗晕比较靠里的地方，又在银河系盘面上，周围的子暗晕数目就更少。除非，更小质量暗晕的中心密度轮廓要比暗物质宇宙演化数值模拟预期的陡峭很多，否则，很难想象这个尖峰是子暗晕产生的。


总之，现在对这个尖峰下结论还为时过早，尤其是仍然可能它只是一个数据涨落。悟空仍然在完美的工作，我们应该期望它能够继续运行，收集更多的数据。


Further reading Yuan et al. https://arxiv.org/pdf/1711.10989.pdf
Fan et al. https://arxiv.org/pdf/1711.10995.pdf

wuqunce

我们的成果，我们自己来解读。来看科普专题↓↓↓  

















来源：中国科学院

ejinjing

图1：暗物质粒子探测卫星“悟空”（DAMPE）


撰文 | 吕浩然
责编 | 陈晓雪


● ● ●


人们对于“悟空”最大的期待，就是借着它的“火眼金睛”捕捉到暗物质的踪影。用暗物质卫星首席科学家、紫金山天文台副台长常进研究员的话讲，“我们想通过‘悟空’的火眼金睛，找到暗物质这个‘妖魔鬼怪’”，目标通俗而直白。


“悟空”是中国的暗物质粒子探测卫星DAMPE（dark matter particle explorer）的名称，2015年12月17日发射升空。近两年的时间过去了，它究竟捉到暗物质这个“妖魔鬼怪”了么？11月27日上午，中国科学院发布了“悟空”捕捉暗物质530天的成果。


530天的“捉妖”记录


天文学家认为，宇宙中只有4%的物质是我们可以看到的，但绝大部分是由看不见的神秘东西构成的，他们称其中的23%为暗物质，73%甚至以上的部分为暗能量。根据目前理论物理学家的解释，如果暗物质粒子相互碰撞并湮灭，将转换为高能电子。


据常进介绍，“悟空”号运行期间，每秒将会捕捉、探测到60个高能粒子，平均每天就有500万个高能粒子被“悟空”捕获。而“悟空”能够观测的是能量区间为GeV-10TeV的电子和伽马射线，如此大的能量区间跨度要求单个探测器的动态范围达100万倍，否则将无法鉴别粒子。





图2：百万级的能量区间跨度成为粒子鉴别的一大挑战


在轨运行的前530天里，“悟空”卫星共采集了约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测量结果（图3）。北京时间2017年11月30日，Nature杂志在线发表了这一结果[1]。







图3：“悟空”在轨运行530天后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Fermi-LAT测量结果（蓝点）、丁肇中先生领导的阿尔法磁谱仪AMS-02的测量结果（绿点）的比较。



从“悟空”已经获得的数据中不难发现，“悟空”探测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有了显著地提高，“悟空”也是世界上首个在空间观测TeV以上波段的探测卫星，拓展了我们观察宇宙的窗口。


此外，值得注意的是：“悟空”首次直接测量到了电子宇宙射线能谱在接近1TeV处的“拐折”，该拐折也反映了宇宙中高能电子辐射源的典型加速能力，其精确的下降行为或对于判定部分（能量低于1TeV）电子宇宙射线是否来自于暗物质起到关键性作用。


本领高强的“悟空”


“‘悟空号’凭借中国科学家特有的设计方案和中国工程师独特的探测器制造技术，实现了国际上最精确和最高效的探测，经过一年多的数据积累，终于有了重大发现。”中国科学院院长白春礼在27日的新闻发布会上介绍说。


目前，天空中共有四颗暗物质探测卫星，分别是阿尔法磁谱仪AMS-02（the Alpha Magnetic Spectrometer）、美国费米卫星Fermi-LAT（the Large Area Telescope on the Fermi Gamma-Ray Satellite）、日本的CALET卫星（CALorimetric Electron Telescope）以及中国的“悟空”。


“悟空”有哪些本领？
“悟空”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；测量到的TeV级电子的“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；测量的能量区间也非常宽（GeV - 10TeV），这也是正在运行的空间高能宇宙线探测器中最宽的；位置分辨优于60微米、本底较已有探测器降低5倍。


“悟空”之所以被寄予厚望，主要是因为相较于已有的三颗卫星（探测器），它的本领更“高强”。之所以称其本领高强，是因为“悟空”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都处于世界领先地位，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（电子数目随能量的变化情况）信号。


据常进介绍，有别于地下直接探测和粒子加速器，空间探测暗物质属于间接探测，即通过探测暗物质粒子湮灭后产生的普通粒子来探测看不见的暗物质粒子。这一方面是因为暗物质粒子的性质与现有标准模型中的所有基本粒子均不相符；另一方面，暗物质粒子产生的信号及其微弱。


“因此，暗物质的空间探测需要的是高能量分辨、高空间分辨、高统计量、低本底（即噪声）的高能宇宙线望远镜。”常进表示。为了达到上述目标，研究团队自2011年12月立项之后即刻启动自主研发，历经四年时间，终将“悟空”送上天空。


1.4TeV处的“峰”是发现暗物质的证据？


针对此次“悟空”所获得的数据，研究人员将其与另外两个卫星获得的数据进行了对比发现，“悟空”在低能段获取的数据与已有实验数据较为吻合，在精度上也有了很大的提高。


但是在1TeV以上的能量（电子）区间却快速减少，且出现了能量拐折的现象；此外，在1.4TeV处，电子能谱出现了非常尖锐的“峰”。这些结果均系首次观测到，令人惊叹——“悟空”也是首个能够探测1TeV以上能量区间的卫星。







图4:1.4TeV（黄色标记处）出现的“峰”将会成为暗物质粒子存在的证据么？


那么，1.4TeV处的尖锐能谱会是证明暗物质存在的新证据么？中国科学院大学常务副校长、中国科学院院士吴岳良表示，从产生机制上来看，能够产生高能电子的有两种：连续源和短爆源。但从理论上来看，除非有新的机制，否则尖锐能谱的天体物理解释并不是合适的选项。而目前“悟空”的任务是持续、稳定地运行，并尽可多的收集数据，使能谱更加“精准”。


常进也表示，1.4TeV处的尖锐能谱究竟是统计涨落还是确实存在的拐点，首先需要“悟空”持续地进行探测。除却电子能谱，还有其它的探测方式和方法去排除一些产生此种现象的可能性。“但无论如何，‘悟空’确实给我们提供了一些新的物理现象，这能否作为暗物质存在的证据，或者藉此产生新物理，仍有待进一步的研究，”常进说。


→ 针对此次的研究成果，《知识分子》邀请到了中国PandaX暗物质探测实验组负责人、上海交通大学鸿文讲席教授季向东进行评论：


很高兴看到DAMPE合作组正式发表的第一个宇宙线电子（也包括正电子）能谱。这个结果来之不易，说明探测器等各方面皆运行良好，这对卫星实验来讲并不是那么容易的。除了一丝不苟的前期工作，也需要一定的运气。数据没有急于发表，而是经过一段时间的反复推敲验证，所以可靠性很高。我也对合作组取得该成果表示热烈祝贺。


这次发表的结果主要是电子能谱在TeV（万亿电子伏特）附近的高精度测量，并发现在这个能量附近电子的通量急剧下降。这种现象虽然在早先地面HESS实验间接探测中也有暗示，但那个实验的精度远远不够。


这个急剧变化是个重要结果，肯定存在着有趣的物理与天文学的根源。一种可能的解释是质量为TeV大小的暗物质粒子在银河系中心湮灭所产生的信号，但也可能是由于某种天文学原因，比如超新星爆炸的遗迹，这类实验的本身很难来判断其真正的来源。


上海交大主导的“熊猫计划”（PandaX）合作组是在四川锦屏地下实验室直接探测太阳系附近的暗物质粒子，所用的探测方法不同。DAMPE的结果对我们的实验是个非常鼓舞人心的好消息：如果电子通量的急剧变化是由暗物质引起的，PandaX探测器在精度足够高的时候就一定能看到。


巧合的是，这个月初，我们在《物理学评论快报》发表了世界最灵敏的探测结果（PRL119,181302（2017））,可惜仍未看到暗物质的迹象。我们需要迅速提高探测的体量和灵敏度，争取能尽快验证DAMPE结果及其背后蕴藏的、可能的暗物质解释，实现中国“天上地下”暗物质探测实验的紧密配合，全力推进。


另外，DAMPE结果的另一个非常引人注目的地方是电子谱在能量为1.4TeV的附近出现了一个疑似的“峰”，证实这个“峰”需要更多的统计量。同时，这样的“峰”在天文学上是很不容易解释的，由暗物质湮灭引起的可能性非常大。这种结果也许更为激动人心，我们也希望尽快能看到更多的数据！


参考文献：
[1] Direct detection of a break in the teraelectronvolt cosmic-ray spectrum of electrons and positrons, DAMPE Collaboration, Nature, DOI:10.1038/nature2447