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Nature引以为荣: 17年后中国学者凭悟空真见暗物质?
发布时间:2017-12-06  信息发布人:管理员  

 来源:知社学术圈

  白春礼院长说,悟空的重大发现,显示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。

  Nature的中国区科学总监更是说:谢谢“悟空”给Nature以机会

  请看知社深度报道和独家专访:(1)一篇历时八年的Nature论文;(2)神秘的宇宙幽灵;(3)中国不再搭车;(4)究竟有没有探测到暗物质?

  美东时间2017年11月29日,Nature在线发表中国科学院紫金山天文台领衔的暗物质粒子探测卫星科学合作组织 (DAMPE Collaboration) 最新研究成果。被誉为“悟空”的中国暗物质粒子探测卫星获得世界上最精确的高能电子宇宙线能谱,能量测量范围较丁肇中先生领衔的国际空间站上AMS02探测器以及美国的Fermi-LAT伽马射线空间望远镜有显著提高。因此悟空卫星首次直接测量到电子宇宙射线能谱在~1TeV处的拐折,如下图红线所示,反映了宇宙中高能电子辐射源的典型加速能力。而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!

图一 悟空所测高能电子宇宙线能谱

  “悟空”是中国科学院空间科学战略性先导科技专项中首批立项研制的4颗科学实验卫星之一,是目前世界上观测能段范围最宽、能量分辨率最优的暗物质粒子探测卫星,于2015年12月17日在酒泉卫星发射中心由长征二号丁运载火箭发射成功。其核心使命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,是我国大科学战略的重要组成部分。

图二 “悟空”暗物质粒子探测卫星

  北京时间2017年11月27日,中国科学院在北京举行保密状态下的新闻发布会。白春礼院长在会上说:

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

  那么,中国科学家在暗物质粒子探测,有着什么样的缘起,又走过什么样的历程呢? 请看知社深度报道。

图三 暗物质粒子探测卫星首席科学家常进

  一篇历时八年的Nature论文

  现任暗物质粒子探测卫星首席科学家的常进,1984年至1992年在中国科大近代物理系获得学士和硕士学位,其后一直在紫金山天文台工作,学习,一待二十余年。90年代后期,还在寻找研究方向的常进,突然意识到,虽然人类已经观测了大部分的电磁谱,但高能电子、高能伽马射线,仍未在很高分辨的情况下被观测到,因为其流量非常微弱。1997年,美国宇航局在南极成立了ATIC(Advanced Thin Ionization Calorimeter,先进薄电离量能器)的科考项目,用于观测宇宙线。常进意识到,ATIC其实也可以用来观测高能电子。通过一年多的计算、实验,他最终说服了美国同行采纳这一提议。1998年,常进作为中国科学家加入ATIC项目组。

  2000年底至2001年初,重达两吨的ATIC观测设备随长周期气球在南极升空,并在离地面37公里的高空完成了人类对高能电子的首次成功观测。结果显示,高能电子流量在300-800GeV能量区间远远超出了模型预计,而一个可能的(但非唯一的)解释,是这一突起来自于暗物质的湮灭。经过反复核实确证,以常进为第一作者的这篇论文,2008年在Nature发表,距离最初的发现,已过去八年!而曲线上那个漂亮的小突起,如下图所示,可以用Kaluza–Klein暗物质粒子湮灭模型完美描述。

  想必大家都会好奇,这样一篇文章,为什么会历时8年? 2008年同期Nature刊登了记者对常进博士的专访,也问到这个问题。常进说:这实验太难做了,气球升空失败一次,就要一等两年!好在后来数据都确认了。常进告诉Nature,这可能是人类第一次测到暗物质的间接证据!

图五 常进Nature专访

  那么,究竟什么是暗物质呢?

  神秘的宇宙幽灵

  早在1884年,英国大物理学家Kelvin就在一次演讲中提到,根据恒星围绕银河系中心运转的速度所估算出的银河系质量,和根据我们能看到的星星的质量,存在差距。他因此下结论:

any of our stars, perhaps a great majority of them, may be dark bodies

  到了1906年,法国大数学家Henri Poincaré 在讨论Kelvin的工作时,首次用了dark matter这一词,沿用至今。

图六 根据可见质量所演算的星系速度远低于观测值,显示大多物质不可见

  更多的天文观测在后面几十年不断显示,人类所能够看见的物质,不足以说明许多的天文现象,很多物质是我们看不见的。1933年,瑞士天文物理学家 Fritz Zwicky 根据Coma Cluster边缘星系的运转速度及亮度做出估算,可见星系不足以说明其快速运转速度,星系的实际质量是可见质量的400倍!这一估算虽然因用到现已过时的哈勃常数而高估算了一个数量级,但Zwicky确实预见到宇宙中大部分的质量是暗的,这也在1939年被 Horace W。 Babcock的观测进一步验证。

图六 天体引力对光线的折射所产生的透镜效应,暗示暗物质的存在

  这些观测说明,暗物质是与我们已知物质属性截然不同的,既不发射电磁波,也不与电磁波相互作用,因此完全看不见,而且完全无法用标准模型中的基本粒子描述。但暗物质的存在,可以通过引力现象予以推测,如引力透镜等。模型显示,宇宙中仅4.9%的质能为我们现在所知的常规物质,剩下的是26.8%的暗物质和68.3%的暗能量。而暗物质更占总物质量的84.5%。问题是,暗物质从来没有被直接观测到过,因此目前仍然只是假设的存在。根据哈勃望远镜观测到的引力透镜所估算出来的暗物质分布,如下图所示:

图七 暗物质的分布

  那么,我们究竟有没有可能探测到暗物质的存在呢?

  中国不再搭车

  于是回到了十几年前,常进在南极的那次重要实验。搭车美国宇航局的ATIC,常进凭借能够测量非常高能量的探测器,发现电子能谱在大家都认为计数率应该下降的能段出现了反常超出。这个发现引起了科学界的广泛讨论,到底是不是暗物质的蛛丝马迹呢?由于所获得的数据太少,置信度不高,因此无法完全确定。

  2005年的一天,国家空间科学中心主任吴季走进常进的办公室。常进非常激动地给他看前面图四那条突起曲线:“如果我能够做一个更大的探测器,把它放到卫星上,我就一定能够断定它是不是暗物质湮灭产生的高能粒子”。这是12年前的一幕,有没有点阿基米德的意思?

  我们知道,探测暗物质不外乎三种方式,一种是直接测量。由于暗物质粒子相互作用信号很弱,需要在地下进行,当前中国建有锦屏极深地下暗物质实验室,做这方面工作。一种是间接测量,主要针对暗物质湮灭所产生的常规粒子进行探测。第三种是通过对撞机试图产生暗物质。常进所提议的,属于间接测量。

  后面的事情大家都知道了,暗物质粒子探测器最终立项并成功发射,由下图可以概括:

图八 中国暗物质粒子探测器发展历程

  暗物质粒子探测卫星的探测器由4部分组成,分别是塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、BGO量能器以及中子探测器。这个探测器有1.4吨重,其中最核心和最重的部分是锗酸铋(BGO)晶体量能器。

图九 上海硅酸盐所的BGO晶体

  据介绍,中国科学院上海硅酸盐研究所有一个技术工人,可以拉出世界上最长的BGO晶体,从而制备全世界单元探测面积最大的探测器,可以大大提高探测效率!这样的晶体,暗物质粒子探测器用了308根!于是才有了Nature论文这么漂亮的数据,可以将电子和质子区分开:

图十 BGO探测器对电子(下)和质子(上)的区分

  那么,悟空的火眼金睛,究竟有没有探测到暗物质呢?

  究竟有没有探测到暗物质?

  今天发表的这篇Nature论文,对此并没有下结论。而在11月27日的新闻发布会上,有记者问常进:您目前研究的置信度,对暗物质真实存在的支持度大概是多少?常进回答到:可以说有99.99%。但距离物理学上人们定义的“发现”还有点距离,需要再收集一些数据,让结果更加可靠!

  在那天的新闻发布会上,紫金山天文台范一中教授和中科院理论物理研究所吴岳良院士也都对探测数据各自做了理论解读。吴院士的PPT标题直接为:发现暗物质粒子存在的可能的新证据!也就是说,DAMPE观察到的~1.4TeV 尖锐电子能谱暗示了暗物质粒子可能存在。吴院士介绍到,除非有新的机制,否则尖锐能谱的天体物理解释将不是合适的选项。

图十一  DAMPE观察到的~1.4TeV 尖锐电子能谱暗示了暗物质粒子的可能存在

  范教授的PPT将这个尖锐能谱标注了出来。他说,当常进老师展示出悟空号的测量结果的时候,最吸引目光的地方应该不是那个拐折,而是这个点。去年4,5月份常进老师的电脑屏幕上展现出相关迹象的时候,我们是既激动,又担心。在那之后的一年里,紫台和中科大投入了大量的人力核查,几乎每个周末中科大的张云龙博士都要带队去紫金山天文台进行深入讨论。我们最后确信能量测量结果是可靠的。

  可以预期,这些理论分析成果,将会陆续发出,知社将持续关注。

  新闻发布会后,知社也采访了论文署名作者、紫金山天文台暗物质粒子探测卫星数据分析团队成员袁强研究员。

  知社:袁博士好,首先祝贺这一重大成果。我们注意到2008年ATIC那篇Nature论文,运用暗物质模型对探测数据做了拟合。“悟空”这篇论文,似乎没有拟合具体的暗物质湮灭事件?

  袁博:是的,本篇论文只是对数据的报道。理论学者将会另写文章专门讨论其背后的物理过程。

  知社:好的。我们比较了2008年和最新这篇Nature文章的能谱数据。之前300-800GeV的那个突起,在新的数据中存在么,似乎不是特别明显,原因是什么呢?

  袁博:这是一个很好的问题。简单的说,悟空的结果确实与之前ATIC的结果定量上存在差异。原因我们推测可能有二:一是ATIC的气球实验只飞行了两周,有可能是涨落,也可能有残余大气的影响;二是ATIC探测器本身还是比较薄,粒子鉴别能力不强,可能有本底混入。“悟空”数据中500-700GeV之间还是略有鼓包,但不如ATIC显著。

  知社:在可以预见的未来,“悟空”有没有可能和LIGO一起,探测到暗物质湮灭的双信使事件,从而证明其存在,就像前段探测到双中子星并合事件一样?

  袁博:LIGO的探测通常认为和暗物质没有关系,即使看到双黑洞,也不主要构成暗物质。一般来说暗物质不产生引力波。有人讨论黑洞作为暗物质的可能性,但争议很大,也有很多约束。主流观点认为暗物质不可能全由黑洞组成。

  今天的这篇Nature论文署名DAMPE Collaboration, 由中国、瑞士、和意大利的科学家组成。其数据分析得到了国家重点研发计划、973计划、基金委、以及中科院百人计划的支持。中国合作单位包括中科院紫金山天文台、中科大、国科大、中科院近物所、中科院国家空间科学中心、中科院高能所、和香港大学。