当代“悟空”的火眼金睛——记暗物质粒子探测器

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为了实时了解我国科学研究的最新动态、实时了解国内天文界最新的研究成果，籍来南京大学聚会的机会，4月12日上午我们20个同学一同来到位于南京大学科学园的中国科学院紫金山天文台暗物质与空间天文实验室参观和了解暗物质粒子探测卫星（又称“悟空”号卫星）。

用于研究、试验和行政办公的中国科学院紫金山天文台新台址位于南大科学园内（在紫金山上的老台址现已作为科普基地）。

去紫金山天文台暗物质与空间天文实验室参观前，同学们先在南京大学科学园的Logo处合影留念。

在暗物质与空间天文实验室展览大厅放置的暗物质粒子探测卫星模型。

暗物质粒子探测器模型的放大图。

暗物质粒子探测卫星主研究单位为中国科学院紫金山天文台，协作单位如下:

中国科学技术大学

中国科学院兰州近代物理研究所

中国科学院高能物理研究所

中国科学院国家空间科学中心

中国科学院微小卫星创新研究院

意大利佩鲁贾大学、

瑞士日内瓦大学

中国科学院紫金山天文台暗物质与空间天文实验室研究人员马涛先生正在为为我们详细讲解暗物质粒子探测器的概貌。

随后，马涛先生带领我们参观半导体探测器测试实验室，其实验室主要进行半导体探测器封装、测试； 多通道低噪声前端读出； 探测器的测试、单芯片测试、模块组装测试、整机测试等； 同时开展一些探测器模拟和在轨数据压缩算法等。

接着，马涛先生又带我们参观ASO-S卫星科学数据中心，其中心系中国科学院空间科学战略性先导科技专项“先进天基太阳天文台（ASO-S）”卫星系统总装数据中心，ASO-S是用于观测太阳硬X射线的卫星（还未发射）。

参观期间，我们在ASO-S卫星科学数据中心还见到了“悟空”号卫星的一期实验卫星，“悟空”号二期卫星目前正运转在太阳同步轨道。

常进研究员，中国科学院紫金山天文台台长、兼中国科学院国家天文台副台长、暗物质与空间天文实验室主任，暗物质粒子探测卫星（“悟空”号）首席科学家。

翻开常进的个人简历，有着长长一串的奖励和荣誉。担任暗物质粒子探测卫星首席科学家之前，常进一直参与我国探月工程项目，先后参加“嫦娥一号”伽玛射线谱仪、“嫦娥二号”改进型伽玛射线谱仪以及“嫦娥三号”APXS谱仪的研制工作。

常进获得2009年获国家杰出青年科学基金支持。2011年获得江苏省科学技术奖一等奖，全国五一劳动奖章。2012年获得国家自然科学奖二等奖，国家科技进步奖特等奖。2013年入选国家百千万人才工程，2014年获江苏省有突出贡献的中青年专家。

图片上是“悟空”号卫星～常进研究员的研发团队。图片来自网络。

“火眼金睛”指的是吴承恩所著的《西游记》中孙悟空眼光锐利，能识别妖魔鬼怪的眼睛。当代“悟空”的火眼金睛是指在国家和中国科学院的支持下，中国科学院紫金山天文台台长、中国科学院暗物质与空间天文重点实验室主任，“悟空”号卫星首席科学家常进研究员主持与研发的“悟空”号暗物质粒子探测器（Dark Matter Particle Explorer，缩写为: DAMPE）。它于2015年12月17日在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功发射，并被送入距地500公里的太阳同步轨道。

《西游记》孙悟空的扮演者六小龄童与“悟空”号首席科学家常进研究员正在参加对DAMPE授名为“悟空”号卫星的仪式，照片来自网络。

悟空号卫星自重1.90吨，其内部的四大科学载荷重达1410公斤，从上到下分别是塑料闪烁体探测器(PSD)、硅径迹探测器(STK)、BGO量能器(BGO)以及中子探测器(NUD)。

PSD由中国科学院兰州近代物理研究所负责研制，其主要功能是测量带电粒子的电荷并区分伽玛射线和电子宇宙射线；STK是中国科学院高能物理研究所、意大利佩鲁贾大学以及瑞士日内瓦大学联合研制，其主要功能是将部分伽玛射线转换为正负电子对，并确定入射粒子的方位；BGO由中国科学技术大学与中国科学院紫金山天文台联合研制，除了精确的测量能量，还可以高效的区分电子和质子，并提供物理事例的触发信息；NUD由中国科学院紫金山天文台研制，主要功能是进一步的区分电子和质子。

这四大科学载荷组合在一起就形成了一个宽观测能段、高空间分辨、高能量分辨、高灵敏度、低本底的GeV-TeV电子宇宙射线探测器和伽玛射线探测器。悟空号的主要科学目标就是测量宇宙射线中的正负电子之比和伽玛射线，得到精确的能谱并与宇宙模型进行比对，以期发现暗物质粒子存在的证据。

图片来自中国科学院紫金山天文台网页。

有了探测暗物质的仪器，那何为暗物质哪？暗物质（Dark matter）是理论上提出的可能存在于宇宙中的一种不可见的物质，它可能是宇宙物质的主要组成部分，但又不属于构成可见天体的任何一种目前已知的物质。大量天文学观测中发现的疑似违反牛顿万有引力的现象可以在假设暗物质存在的前提下得到很好的解释。现代天文学通过天体的牛顿万有引力的现象运动、引力透镜效应、宇宙的大尺度结构的形成、微波背景辐射等观测结果表明暗物质可能大量存在于星系、星团及宇宙中，其质量远大于宇宙中全部可见天体的质量总和。结合宇宙中微波背景辐射各向异性观测和标准宇宙学模型（ΛCDM模型）可确定宇宙中由原子、分子组成的可见物质只占宇宙总量的5%，其它的95%的物质是不可见物质。其中27%为暗物质，68%是暗能量。把暗物质、暗能量和普通的可见物质加起来，发现宇宙的总密度正好等于宇宙的临界密度，所以宇宙的几何图形应该是平直的，即我们所熟悉的欧氏几何。暗物质本身有固定的质量，有可能产生正负电子或其它粒子，宇宙当中还普遍存在宇宙射线，即高能量的粒子，也包括正负电子。

目前一种被广泛接受的理论认为，组成暗物质的是“弱相互作用有质量粒子”（weakly interacting massive particle, WIMP），其质量和相互作用强度在电弱标度附近，在宇宙膨胀过程中通过热退耦合过程获得目前观测到的剩余丰度。此外，也有假说认为暗物质是由其他类型的粒子组成的，例如轴子（axion），惰性中微子（sterile neutrino）等。

暗物质的存在已经得到了广泛的认同,然而目前对暗物质属性了解很少。目前已知的暗物质属性仅仅包括有限的几个方面：

（1）暗物质参与引力相互作用，所以应该是有质量的，但单个暗物质粒子的质量大小还不能确定。

（2）暗物质应是高度稳定的，由于在宇宙结构形成的不同阶段都存在暗物质的证据，暗物质应该在宇宙年龄（百亿年）时间尺度上是稳定的。

（3）暗物质基本不参与电磁相互作用，暗物质与光子的相互作用必须非常弱，以至于暗物质基本不发光；暗物质也基本不参与强相互作用，否则原初核合成的过程将会受到扰动，轻元素丰度将发生改变，将导致与当前的观测结果不一致。

（4）通过计算机模拟宇宙大尺度结构形成得知，暗物质的运动速度应该是远低于光速，即“冷暗物质”，否则我们的宇宙无法在引力作用下形成目前观测到的大尺度结构。

综合这些基本属性。可以得出结论暗物质粒子不属于我们已知的任何一种基本粒子。这对当前极为成功的粒子物理标准模型构成挑战。

常进研究员认为，目前虽然有大量的试验数据和理论模型对暗物质进行研究，但是还没有准确的数据来确定暗物质粒子存在与否。由此需要综合多种研究方法，积累数据以及更高能量的精准测量来加以确认。我国的“悟空”号暗物质粒子探测卫星就在更高能量和更高精度上展开了对物质的探测工作。

“悟空”号卫星在伽玛射线谱线、晕状分布的伽玛射线以及奇异电子能谱结构三个方面开展暗物质探测。宇宙射线成分比较复杂，各种粒子的流量相差很大。由于“悟空”号卫星拥有很强的本底抑制能力，能将流量相差很大的各种高能粒子区分清楚，把它们的物理参数测量准确。对关键的物理量（如电荷、能量和方向等）都采用两种独立的测量，以保证结果的高可靠性。

“悟空”号卫星在轨运行两年半以来，共采集到50亿余个高能粒子数据，常进研究团队从中筛选出了150万个高能粒子数据。覆盖的能段从25GeV到5GeV。

照片来自网络。

上图是常进研究团队从“悟空”号卫星2年半来观测的数据，得到的宇宙高能粒子能谱。

从上面的高能粒子能谱中发现，大约在0.9TeV附近出现了一个能量上的拐折; 在约0.9TeV拐折以上，能量更高的电子数量减少了一些。这个拐折澄清了TeV能区电子的能谱行为，为判断TeV以下的高能电子宇宙射线是否来自于暗物质湮灭提供了关键性的数据。该拐折反映了宇宙中高能电子辐射源的典型加速能力，其精度的下降行为对判定部分（能量低于1TeV电子）宇宙射线是否来自于暗物质湮灭起着关键性的作用。

常进研究团队从高能粒子能谱中还发现，在1.4TeV附近，还有一个很突出的峰值。此能谱特征已引起很多高能天体物理学家的关注，在1.4TeV处存在的这个能谱精细结构，还需更多的观测数据来解开这个谜。由于高能电子在银河系中传播的时候会快速的损失能量，因此TeV的电子不能传播很远，也就是其辐射源应该离我们比较近；出现精细结构也意味着辐射源产生的电子宇宙射线能谱非常尖锐，目前尚不清楚是什么天体物理过程能产生如此奇特的结构。当前“悟空”号运行状态良好，正在持续采集数据，若1.4TeV处能谱精细结构的机制得以确认，将是高能粒子物理或天体物理研究领域的重大发现。

常进研究团队认为，针对暗物质的探测，目前的“悟空”号卫星是运行在地球轨道，探测到的信息也局限在银河系内，这也有可能使探测结果得到的结论受到限制。现在常进研究团队正在努力分析“悟空”号卫星采集到的数据，以期早日发现暗物质的踪迹或发现更多的宇宙天体奇特现象，更清晰地了解宇宙射线是如何产生的。

“悟空”号卫星作为我国暗物质高能粒子探测卫星与FAST“中国天眼”一同作为国之重器，在2018年11月我国改革开放40周年大型展览中一同亮相。在我国它率先开启了宇宙空间暗物质粒子探索的新篇章！

正如习近平总书记在2016年新年贺词中说得那样，只要坚持，梦想总是可以实现的。相信常进研究团队经过不懈的努力，定能在暗物质的探寻上有重大突破！

参考文献

常进，《电子能谱拐折: 佐证宇宙射线是否来自暗物质湮灭》，《前沿科学》，2019年第1期