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？

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历史上发生过多次以为发现新粒子，结果其他实验无法重复不了了之的事情。
2015年LHC说实验以接近3倍标准差看到一个750 GeV的疑似新粒子，很多理论家兴奋地灌水发了大量的论文。结果更多数据出来，所谓的新粒子并不存在，默默打脸了。
实际上“悟空”发表在nature的文章很克制，并没有说发现，1.4 TeV附近那唯一的数据点误差棒很大，需要积累更多实验数据，记住：现在凸出的那个点还不足以下结论说就是暗物质引起的。将来有更大的数据量如果能确切证明1.4 TeV的凸起是真实的，那才excited！在此之前，兴奋的同志们要稍微冷静冷静，革命尚未成功，现在只是看到曙光。不过，即使将来发现1.4 TeV的凸起并不存在，以目前最精确的高能电子宇宙线能谱和1.0 TeV附近“拐点”的发现，也是一个很重要的成果了。
媒体们能积极宣传中国科学家的重要成果，这令人振奋，同时宣传的时候标题注意加了问号，也是非常厚道了……

圆月小侠

有条件的话，我们先看个视频（强烈建议，对解题有帮助）：
                              
               
https://www.zhihu.com/video/919514944414818304
                          没条件的话，我们就简单看个图吧：



宇宙这个东西，是很玄幻的；
暗物质、暗能量的概念是怎么来的呢，就是那帮科学家，经过计算，也就是你高中那些万有引力啥的，
发现如果只是我们看到的这些星球啥的，这个宇宙不可能hold得住，
所以除了我们能看到的这些星球，还有一些我们看不见的，或者说迄今发现不了的物质和能量，
看不见嘛，就是「暗」，科学家算了一个比例，我们现在所了解的世界，能看到的，只占4.9%，

反正暗物质这些东西吧，就是明知道它存在，但是还看不见，所以要研究啊！


我再说说悟空是什么鬼



它就是个专门设计用于探测暗物质的卫星，其实也没有啥直接探测的方法，
它选择的就是去探测宇宙高能粒子或者射线，看看有啥蛛丝马迹可以找找，


卫星呢，没啥了不起的，现在中国航天，可以论斤发射；
最近好像对民口开放了，好像多少钱一公斤来着，我不记得了，你们感兴趣的可以去查；


这个悟空核心和厉害之处，在于他的探测器：
他可以探测5 GeV ~ 10 TeV这个Scale的高能粒子！
我个人觉得这个是厉害的关键，这个动态范围太大了，
怎么说呢，反正就是大，画图的时候都需要打Log底，
你还不得不在这么大范围内都有高分辨率，
如果你只是低能量端分辨高，高能部分就没那么精细了，那今天这个结果也就看不到的...


再说下这个文章，其实就一个图就行了：

http://dx.doi.org/10.1038/nature24475
红色数据是悟空的工作，观测到了1.4TeV的高能信号，
当然不能直接说观测到暗物质，但是他可以给出两个推论：
①直接坐实了在1.4TeV有个高能信号，可能是暗物质的蛛丝马迹（可结合0.9TeV的突起一起稍微推测一下）；
②宇宙中可能有单一的粒子能量加速机制（这么突出，肯定是单一能量嘛，不然早抹平了）
就算不是发现暗物质，以上无论是哪一条，在天文这些领悟，都可以站一波了~


至于实验多难， 我就不多说了：
比如这个信号量很大，每天多少个粒子啥的，很难找，
又或者高能粒子信号很难找，因为越是高能，传播越短，最后都耗散了，信号源少...
做过实验的，当然知道这种玩意坑，关键是，还只有你们坑得起，别人想坑也没机会...


为啥每次天文只要来一个突破立马就新闻刷屏，而物理化学生物那些，发多少CNS都没啥讨论度，其实我分析过的：
①这个看起来简单，可能更能符合大众口味（呸...我才不信呢...）
②毕竟大项目大科学装置，每年有科普宣传要求的...
③参与度太高，互相打Call...



另外 @中国科普博览  他的视频做的真是太好了，全程高清通俗，
做科普太难了，说专业了晦涩；改成面对大众的，自己都看不下去...
所以我迷上了开车~




>>>最后我澄清一下（虽然很多人都知道，但是还是为了避免误会）：
大家不要看到上面第一单位不是国内就以为是国外的，
高能物理、天文这些个领域...
先是看姓名首字母排作者顺序，
然后再根据作者顺序排单位...

其实直接看通讯就好了：紫金山天文台...











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assdsss

一张图说明一切，暗物质的湮灭可能会放出伽马射线、中微子和其他带电高能粒子，到空间探测暗物质粒子碰撞后产生的可见粒子，是间接寻找暗物质的方法，该方法也是由中国本土培养的常进提出的。
绿线是诺贝尔奖获得者丁肇中先生领导的，在国际空间站上耗资20亿美元的AMS02的数据 ，丁先生想测的就是1000Gev以后降落区域，可能就是暗物质存在的证据。可惜没做到……
蓝线是美国耗资10亿美元的冠以费米大名的伽马射线空间望远镜的数据。应该测的没测到即视感……
然后就轮到花费近1亿美元的悟空，红线凸起处1.4TeV的这个数据点如果被确认那么意义重大。它也许意味着一种新粒子。就算不是新粒子，哪怕是天文现象，也是从来没有人想到过的重大新发现。当然也很可能是暗物质粒子湮灭的证据。




找到暗物质比即使是在早期发现化学元素重要多了。。比发现引力波也重要，那个是对理论的证实，然而暗物质和暗能量的存在使粒子物理学面临严峻的挑战，现有模型只能解释宇宙中约4.9%的物质，如下图。



就好比人类以前都是生活在鱼缸的鱼一样，现在很可能证实了鱼缸外世界的存在。
如果为真，那就可能是21世纪最重要的物理发现了。
而这扇大门正由在科学上落后了几个世纪的中国人缓缓打开。






引用11.27日中科院院长白春礼的话∶
今天是一个非常重要的日子，也许在人类科学发展的历史上，大家会记住今天。因为中国科学家已经从自然科学前沿重大发现和理论的学习者、继承者、围观者，逐渐走到了舞台中央。中国科学院、中国科学家长期以来在基础科学前沿的投入和付出终于有了突破。


而Nature中国区科学总监Gerstner博士更是谢谢“悟空”给Nature以机会：
What I do know that it is very exciting to be a part of China’s voyage of scientific discovery。 And I thank the Wukong team for letting Nature be a part。


悟空首席科学家常进说：“我们已经触碰到新的世界，一定有更大的惊喜等着我们。”

tcbxh2008

主要发现是电子能谱中0.9 TeV处的斜率变化和1.4 TeV处的一个峰值。
前者倒是有很多天文源比如脉冲星能解释。后者要是进一步被确认，是一个爆炸消息。因为除了暗物质湮灭外很难解释如此尖锐的下降。暗物质可以顺便用inverse Compton散射来解释0.9 TeV处的的变化。当然现在说太早，很大可能是涨落。而且Fermi在那个能区似乎也没结果。
1.4 TeV的WIMP，应该很容易在直接探测XENON 1T和PandaX-II上寻找证据。最近的限制应该是arXiv:1708.06917这篇。
Nature 原文地址: https://www.nature.com/articles/nature24475

redfree

个人观点：想说（间接）探测到了暗物质还太早了。甚至这个「拐折」也不一定是真的。
当然，只是批判一番，肯定政治不正确，所以首先应该肯定的是，中国在高能物理领域的贡献是越来越高了。这次的结果，无论怎样，起码能引起大众对这一领域的兴趣和媒体的关注，总是件好事。
关于1.4TeV处疑似存在的峰

大家还记得当年LHC以3个sigma在750GV附近发现的双光子峰吗？刚出来的时候，让多少现象学的人兴奋不已，灌水无数，最后这个峰还是消失了。现在在1.4TeV附近的那个「峰」，情况是差不多的，需要更多数据的累积。
退一步说，即使这个峰确实存在，造成这个峰的原因，也不一定就是暗物质，因为像超新星爆发、脉冲星等等天体物理因素都有可能造成峰的存在。
所以这个峰只是「疑似」存在。
关于1TeV开始的拐折

当结果一出来，大家非常关心的一点是什么呢？是跟其他实验结果的差异。尤其是在100GeV到1TeV之间，与AMS-02的结果之间的差异。
前不久跟AMS-02同样处于空间站上的CALET实验也发表了第一个实验结果[PRL 119, 181101, (2017)]，他们的结果则与AMS比较相符。造成这些差异的原因是什么？我想下面这张图，能够说明一些问题。

这张图，没有直接使用DAMPE发表的结果，而是将其能谱向下移动了~6% (假设能量便宜为3%). 此时，三个实验之间的结果，在低能部分符合得很好，而从100GeV开始出现差异。
在这几个实验中，AMS-02因为拥有多个子探测器，可以对能量进行冗余测量，所以在1TeV以下结果的可靠性更高。想用这张图说明的是，DAMPE的能量标度可能还是不够准确，而这对结果会有直接影响。因此，这个拐折是否真的存在，还有待考证。
然而这个问题其实很难解决，因为即使在地面，也没有1TeV的电子束流来对探测器进行能量标度。只能期待DAMPE能够提出一些brilliant的方法来处理这个问题了。