“悟空”測量到“拐折”：距離發現暗物質還有多遠？

中國暗物質粒子探測衛星首批成果公布

“悟空”火眼金睛看到了奇特天體？

近日，《自然》雜志報告了中國暗物質粒子探測衛星“悟空”的首批探測成果：“悟空”測量到電子宇宙射線能譜在1.4萬億電子伏特(TeV)能量處的一個“拐折”，這或許代表著暗物質“幽靈”一閃而過的身影。

暗物質，被稱為現代物理學天空的烏云之一，它占宇宙總比重約27%，比我們熟知的普通物質多5倍。但它卻又不同于現代物理學里已知的任何種類或形態的物質。科學家認為，對暗物質本質的理解，可能會帶來對現代物理學顛覆性的突破。

但是，“悟空”這次的發現能說明暗物質存在嗎？它又是如何發現這個可能的暗物質“身影”？對此，南方日報記者采訪了紫金山天文臺“悟空”團隊的科學家，對這些問題進行解讀。

●南方日報駐京記者 王詩堃

策劃統籌：張志超

“悟空”看到了宇宙中的什么？

“悟空”于2015年12月17日發射升空，英文名叫DAMPE，也即“暗物質粒子探測衛星”(Dark Matter Particle Explorer)的縮寫。“悟空”飛天，其核心任務就是在宇宙線和伽馬射線輻射中尋找暗物質粒子存在的證據，并進行天體物理研究。

盡管耗資1億美元的“悟空”號成本相對較低(國際上的空間暗物質探測器阿爾法磁譜儀AMS-02、費米衛星分別耗資20億、7億美元)，但“悟空”號有兩項關鍵技術指標——“高能電子、伽馬射線的能量測量準確度”和“區分不同種類粒子”的本領，卻在世界上領先。而且，它尤其適合尋找暗物質粒子湮滅過程中產生的一些非常尖銳的能譜(指電子數目隨能量變化的情況)信號。

對于“悟空”這一新發現，《自然》中國區科學總監印格致(Ed Gerstner)引用了科幻作家阿西莫夫的話來形容——

在科學探索中能聽到的最激動人心的一句話，即在最重要的新發現之前出現的短語，不是“尤里卡，我找到了”，而是“嗯……這挺奇怪！”

在此次公布的“悟空”觀測數據中，最出乎科學家預料的是：電子宇宙射線能譜在1.4萬億電子伏特能量處產生了一個“拐折”。

“悟空”團隊科學家、中國科學院紫金山天文臺研究員袁強告訴南方日報記者，“我們認為這個‘拐折’主要是來自于天文原因，很可能和高能電子源的空間分布有關，從而也表明TeV能量以下的電子不是主要來自于暗物質。更出乎意料的是，在1.4萬億電子伏特能量處電子數目突然增多，在能譜上體現為一個跳點。如果這一現象得到后續更多的觀測數據證實，這將是一個重大發現”。

袁強介紹，這種現象有兩種解釋：除了可能是來自于暗物質粒子湮滅的信號外，還有可能意味著太陽系鄰近區域，存在某種“奇特天體”可以將電子加速到單一能量。

不過，即使不是暗物質，這種能夠發出“跳點”信號的天體，也是前所未有的新發現。

距離發現暗物質還有多遠？

“大質量弱相互作用粒子”，這是科學界對暗物質粒子模型的主流設想。按這種模型，如果暗物質由大質量弱相互作用粒子構成的話，這些粒子偶爾會發生互相湮滅，并且形成正負電子對。從本質上說，暗物質本身不可見，但暗物質湮滅或衰變時會產生看得見的粒子。“悟空”的“火眼金睛”，正是通過尋找“大質量弱相互作用粒子”湮滅的信號，間接證實暗物質。

科學家曾用“盲人摸象”形容對“悟空”原始數據的處理。據了解，“悟空”每天傳送回500萬個粒子信息，粒子包括原子、電子、中子等。原子由原子核和繞核運動的電子組成，電子與正電子會因碰撞而湮滅，并在這過程中產生光子。500萬個粒子信息中，電子只有不到千分之一，而光子只有十萬到百萬分之一。

對于科學家來說，“悟空”在近兩年在軌時間里獲得的數據仍然不夠，他們還需要更多工作來確認新的發現。

暗物質衛星科學應用系統副總設計師、中國科學院紫金山天文臺研究員范一中告訴南方日報記者，“數據中存在有趣的現象，可能和暗物質有關系。但是現在我們項目組最重要的是積累更多數據，開展獨立的分析方法，確定1.4萬億電子伏特能量處超出是一個真實的物理信號而不是統計漲落。”

袁強也表示，“根據現有數據，這個結構有百分之零點零幾的可能性是一個假信號。而我們需要把這個可能性進一步降低，那樣才有把握說我們發現了新現象。”

“再過1—3年，預期它在我們最為期待的1.4萬億電子伏特能量處觀測電子數將積累到150—200個，那時結論會更確定。無論這些電子來源于哪里，都將是粒子物理或天體物理領域的嶄新發現。”“悟空”首席科學家、中科院紫金山天文臺副臺長常進此前曾表示。

袁強還表示，“悟空”的數據里還包括大量的宇宙射線以及一些伽馬射線，這些數據對于天體物理的研究也很重要，也需要我們逐步加以分析和發掘。

怎樣才能尋找到暗物質？

“暗物質是目前粒子物理標準模型之外的一種全新的粒子。”從事暗物質研究的中國科學院高能物理所研究員畢效軍對南方日報記者表示，直接找到暗物質并確認其屬性，能夠為我們探索比標準模型更深層次的物理規律提供了線索，可以說是打開了走向更深層物質規律的一扇門。

袁強也表示，暗物質屬性奇特，它們不發光、不參與電磁作用，不同于現代物理學里已知的任何種類、形態的物質。對暗物質本質的理解，必然將帶來對現代物理學的突破，而這個突破很可能是顛覆性的。

袁強告訴記者，目前，科學界探測暗物質主要有三種辦法：“悟空”采用的是空間間接觀測法，原理是觀測暗物質粒子湮滅或衰變產生的普通粒子來間接探測暗物質。

據了解，除了“悟空”號，還有國際空間站上正在進行的AMS-02實驗、美國的費米衛星實驗都在尋找暗物質信號，他們和“悟空”號屬于相同的探測方式。

另一種辦法是直接探測，原理是建造大型探測器，等待暗物質粒子“撞上來”。“因為空氣中有大量的宇宙射線輻射，為得到一個干凈的測量環境，通常這類實驗要到很深的地下去做。目前，我國在四川錦屏山下建有一個國際上最深的深地實驗室，是非常理想的暗物質探測實驗室。現今，錦屏實驗室開展有PandaX和CDEX兩個暗物質探測實驗。”袁強表示，第三種辦法則是通過高能粒子對撞機制造出暗物質粒子。這三種辦法可互為補充，共同為揭開暗物質之謎努力。