暗物質粒子探測衛星的前世今生

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為了撥開暗物質這朵烏雲，世界各國的物理學家們都在不斷努力著。我國也充分認識到了這一前沿領域研究的重要性，所研製的暗物質粒子探測衛星正待出鞘。它的科學目標、探測原理是什麼呢？我們一起來從講座中尋找答案吧！

探測原理

DAMPE通過探測高能宇宙射線來探測暗物質。

1.什麼是高能宇宙射線？

指的是來自宇宙中具有相當大能量的帶電粒子流，1912年由德國科學家韋克多?漢斯發現。他製作了一個電離室，用於測量空氣中的電離度（空氣中的帶電粒子數量）。同時期也有其他的科學家製作電離室，漢斯的創新之處在於，他將電離室放在熱氣球上，這樣在放飛前，能測量出地面的電離度，放飛後，能測量出不同海拔高度的電離度。而漢斯的測量結果顯示：海拔越高，電離度越大。

這說明帶電粒子並不是地球產生的，否則不會越遠離地面，電離度越高。也就是說，宇宙空間會產生帶電粒子，再打到地球上。

宇宙線產生後，在銀河系傳播的過程中，有一定的幾率逃脫銀河系，跑到宇宙空間去，這樣宇宙線的能量就會越來越低。但實際上宇宙線的能量是比較穩定的。這是因為宇宙線有源頭，宇宙線的源頭一般認為是超新星的爆發。當超新星爆炸的時候，會將自身的高能量粒子，例如氫核、氦核，以非常高的速度拋射到星系空間中。

2.為什麼測量高能宇宙射線有可能發現暗物質？

DAMPE的科學目標

我國暗物質粒子探測衛星的主要科學目標有三個：一是暗物質間接探測，也是最主要的；二是尋找宇宙射線的起源；三是伽馬射線天體物理。

DAMPE瞄準的科學目標非常前沿。美國國家研究理事會所提出的重大的宇宙物理學前沿問題中，第一個為暗物質，第六個是宇宙線。這兩個都是DAMPE瞄準的目標。

DAMPE的結構及功能

1.我國暗物質衛星由哪幾部分組成？

圖1：DAMPE內部結構

從上往下依次是：塑料閃爍體探測器；Si陣列探測器；BGO量能器，中子探測器。

BGO量能器：一根根碳纖維管，搭建成陣列，然後插上一根根的BGO晶體。因為BGO晶體的生成非常困難，所以價值不菲，整個量能器僅晶體部分，就造價三千萬左右。中科院上海硅酸鹽所在BGO晶體生成領域全球領先，這些BGO晶體是由該所專門為DAMPE的需求設計的。

全部搭建完畢後，會將探測器放在中間，然後四周包上電子電路組成的探測系統。

2.各自的作用是什麼

塑料閃爍體探測器：區分電荷。電子和光子打進來，是不同的。

Si陣列探測器：測量宇宙線的方向和電荷。

BGO量能器：最為重要，測量宇宙線的能量。

中子探測器：區分質子和電子。如上圖所示，質子打進來的話，在底端會產很多中子，而高能宇宙線的電子打進來，產生的中子很少。同時，不同能量產生的簇射的大小也不同。

3.我國暗物質衛星，從配備上說有哪些優勢？

與國際上其它暗物質探測衛星相比，有三個顯著優勢。一是能夠測量的宇宙線的能量非常高，可以測量到104個GeV；二是能量解析度高，可以達到1%左右，測得比較准；三是測量能量的本底比較低，也就是區分電子和質子的能力非常強。

出品：科普中國

製作：悟空粉絲團

監製：中國科學院計算機網路信息中心

編輯：Aprilis

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