找到暗物質很難，所以我們讓「悟空」到天上去

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宇宙中分布著約68%的暗能量和27%暗物質，而我們看得見、摸得著的普通物質僅佔5%，就如同深沉夜幕中幾顆閃光的星星。為捕捉暗物質粒子湮滅或衰變後留下的痕迹，為尋找宇宙起源，科學家們一直都在儘力尋找這些夜空中最「暗」的星」。在SELF講壇上，暗物質粒子探測衛星「悟空」首席科學家常進為我們講述了探究暗物質粒子的科學歷程。

常進

暗物質粒子探測衛星首席科學家

中科院紫金山天文台副台長

以下內容為常進演講實錄：

我叫常進，目前是暗物質粒子探測衛星的首席科學家。我向大家介紹一下空間探測暗物質粒子的一些情況。

從太陽系的邊緣看地球，地球就像一顆太陽里的浮塵。銀河系裡大概包含了一千億個這樣的太陽，當我們從銀河系裡看太陽的時候，它根本連浮塵都算不上，是一個點。

銀河系是一個棒旋星系，包括一根棒，兩個大的旋臂，兩個大的旋臂又分了好多小的旋臂。銀河系裡的太陽與銀河系中心的距離大概是2.5萬光年。在北京興隆山上,有個LAMOST望遠鏡，它是我國目前最大的光學望遠鏡，通過測量大量的恆星光譜，得出太陽的速度是每秒240公里。太陽繞銀河系中間轉，轉一圈需要2.3億年，所以你這輩子都不可能繞銀河系轉一圈了。

我們知道，人造衛星繞地球轉，離地球越近的時候速度越快，離地球越遠的時候速度要慢下來。如果衛星在離地球很遠的地方仍然保持高速，它肯定會跑出地球，飛進太陽系。

但是有一個很有趣的現象，銀河系裡的發光物質或者氣體的分布，大概是10萬光年這樣的尺度，根據太陽和銀河系中間發光物質的分布，科學家可以準確地把太陽繞銀河系的速度計算出來，大概是每秒160公里。

但剛才我們提到，LAMOST觀測到的太陽實際繞行速度不是160而是240公里，為什麼太陽的速度這麼快，卻沒有飛出去銀河系呢？是因為太陽和銀河系中間存在著大量我們還沒看得見、看不見的物質，可能是暗物質。

我們測量銀河系外圍的星雲也就是氣體繞銀河系轉的速度，發現它的速度也在200公里左右。根據這些尺度、速度、距離，我們大概推斷出銀河系裡的物質分布大概是發光物質分布的10倍，還有90％的東西是不發光的。

這是一個微波背景圖像，也就是宇宙大爆炸38萬光年以後,宇宙輻射冷卻下來的一個圖像。現在宇宙學進入精確宇宙學時代，測溫度我們精確到零點幾個毫K，也就是10-6開爾文的變化。

圖片里可以看到,有的地方紅一點，有地方藍一點，看上去相差很大，實際上是圖片把它放大了，溫度變化其實只有千分之一左右。這千分之一的變化，就表示了整個宇宙中的物質分布情況，有的地方分布得多，有的地方分布得少。

根據這張圖，再結合剛才的旋轉曲線、X射線觀測、引力透鏡的觀測情況，總之有大量的天文觀測，現在的最新結果表示，宇宙中我們只弄清了5%，還有95%是看不見的暗物質和暗能量。其中暗物質大概佔26%點幾，接近70%的是暗能量。

我今天重點講暗物質。剛才講了那麼多天文觀測結果，表明暗物質在宇宙中是肯定存在，但是暗物質的物理性質是什麼呢？

人類到目前為止已經弄清楚，物質是由61種基本粒子組成的。前幾年「上帝粒子」被發現了，但是這61種基本粒子和暗物質粒子的物理性質都不吻合，那麼暗物質粒子必須具備什麼性質呢？

長壽命、質量大，不參與強相互作用和電磁相互作用，只有引力相互作用，可能有弱相互作用，現在還未被證實。這就是暗物質粒子探測這麼熱門的原因，也就是說，如果我們在暗物質方面取得一些突破，肯定在標準的物理學上也會取得突破。

61種基本粒子最難測出來的是希格斯粒子——上帝粒子。為什麼它這麼難探測？是因為不知道它的質量多大。

這裡我講一個故事。我有個朋友他現在已經退休了，希格斯粒子——上帝粒子上個世紀60年代提出來的時候，他當時正好是念高能物理的研究生，他的主要研究方向就是尋找希格斯粒子。

當時世界上認為，希格斯粒子在MeV（百萬電子伏特）量級，認為在實驗室就可以探測到——我們知道,核物理構成大部分在MeV。後來實驗室並沒探測到。有科學家認為,可能它在幾十個MeV，接近GeV（十億電子伏特），於是拿到加速器上去測。所以我這個朋友到斯坦福去做博士後，在斯坦福搞了5年還是沒探測到，他認為希格斯粒子的質量可能在GeV以上，有十個GeV左右。

那時候，德國有一個最大的加速器就叫DESY。我們知道丁肇中先生諾貝爾獎拿到以後，也是在DESY做高能物理實驗。在DESY加速器上找希格斯粒子，花了有10年時間還是沒找到，於是認為希格斯粒子的質量可能在幾十個GeV。那時候，最大的加速器已經搬到歐洲核子中心，也就是瑞士日內瓦和法國交界的地方，名字叫LEP對撞機。

我那朋友又在LEP上幹了十幾年，還是沒有找到，認為希格斯粒子可能在100Gev以上。這時候更大的大型強子對撞機建好了，找到了希格斯粒子，但是他已經退休了。

到目前為止，我們還不知道暗物質粒子質量究竟多大，但是我們希望這樣的故事不要在我們身上發生。我們努力工作，希望能夠儘快找到暗物質粒子。

剛才講了，暗物質在宏觀分布上占宇宙的主要部分，但在微觀密度上並不強，在地球附近的分布大概在每立方厘米0.3個質子。這個數字比較抽象，比如地球這麼大的體積裝滿了暗物質，大概只有幾公斤，所以在地球附近找到暗物質是一件很難的事情。

那麼怎麼去探測暗物質粒子？有三種方法，第一種是在加速器上探測。加速器上通過高溫粒子碰撞模擬宇宙大爆炸，將暗物質粒子碰撞出來探測到它。

目前最大的加速器，也就是發現上帝粒子的LEP強子對撞機，對撞能量目前已經到了13個TeV（1000GeV），實際是14個TeV。可惜四五年下來了，暗物質粒子探測方面沒有取得什麼成果。

第二種方法是地下直接探測法。讓暗物質粒子與普通原子核碰撞，像打撞球一樣的，一個球撞另外一個球。暗物質本身不可見，但是暗物質碰撞另外一個球（原子核）以後，原子核會動，通過探測反衝原子核來探測暗物質粒子。

為什麼放到地底下？因為球動的能量量級大概在KeV（千電子伏特）到MeV量級，而地面上這樣的本底（環境中本身存在的）最多，尤其是宇宙射線，天上來的高能粒子轟擊大氣，產生的大量次級粒子也在這個能段裡面。

所以為了屏蔽這一部分本底，必須把探測器放到地底下，放得越深本底會越低。我們國家將在錦屏山建立世界上最深的地下試驗室，用來探測暗物質粒子，上海交大和清華大學都有實驗在那兒做。

第三種方法是空間探測暗物質粒子。因為暗物質粒子來自宇宙大爆炸，在宇宙大爆炸剛開始的時候，暗物質粒子和暗物質粒子碰撞產生看得見的粒子，但是看得見的普通物質粒子碰撞全部產生暗物質嗎？到目前為止，研究表明是不可能的，否則我們就不可能存在，因為物質都變成暗物質了。

所以從邏輯上講，暗物質和暗物質碰撞肯定會產生看得見的粒子。於是我們通過探測暗物質粒子碰撞所產生的看得見的粒子，去探測看不見的暗物質粒子。

到目前為止，加速器上沒有看到暗物質粒子的信號，地下實驗也沒有看到暗物質粒子的信號，天上也沒有看到，但是看到了一些跡象。比如丁肇中先生領導的AMS團隊，通過在天上差不多5年多的數據，發現宇宙中，高能正電子流量比理論模型要高。

理論模型預計，正電子流量隨著能量的增加，應該往下降。但是在天上發現，隨著能量的增加，流量並沒有掉下來，反而增加了。這些增加的正電子，是來自於暗物質粒子，還是來自特殊的天體物理過程，我們並不是很清楚。

目前還沒有辦法下結論，主要原因是探測器不夠大、靈敏度不夠，觀測的能量區間比較低。所以，我們需要一個新的探測器，通過探測天上的高能粒子能量、方向、電荷，鑒別出它的種類，來探測暗物質粒子。這就是我們暗物質衛星提出的主要的背景。

暗物質粒子探測衛星，實際上是一個望遠鏡。它工作在高能量波段，大概比光學的波段要高1012，所以這麼高能量的高能光子和探測器作用以後，它不會產生反射、折射等普通的波的光學性質，高能光子和探測器發生作用後產生正負電子對，我們這個望遠鏡通過探測正負電子對的方向、能量，來判斷天上高能光子的方向和能量。

整個探測器從上到下大概有四層，最頂部是塑料閃爍體探測器，區分粒子的電荷，它是蘭州的中國科學院近代物理所做的，中間是硅陣列探測器，這是高能物理所和一些國際合作團隊做的。

底下是最主要的探測器——一噸多重的BGO量能器。這個探測器是由中國科學技術大學負責做的，最底下一個中子探測器是紫金山天文台做的，整個四個探測器組合在一起，可以高精度地測量入射粒子的方向、能量、電荷，並鑒別出粒子的種類。

這個探測器，2015年年底發射上天了，到目前為止各項性能工作正常，整個探測器重量是1.4噸多重，功耗600瓦，它工作在什麼樣的軌道上呢？500公里的太陽同步軌道，太陽從早到晚任何一個方向都能照到這個衛星上，保證這個衛星的溫度比較穩定。

探測器由7萬多個子探測器組成， 整個探測器是一個大的望遠鏡，這個大望遠鏡有七萬多路小的感測器組成，所以每一個高能粒子打上去，有7萬多個信號出來。根據7萬多個信號，我們可以判斷入射粒子的能量、方向、電荷。

這個圖像就是探測器得到的在x平面、y平面的高能粒子的圖像。我們重建入射徑跡可以得到入射粒子的方向，然後根據徑跡得到頂部的能量沉積，可以得到它的電荷。

這是一個典型的、立體的、三維300多GeV（十億電子伏特）的高能電子打在望遠鏡上，產生的一幅圖像。整個探測器的性能主要是測量能量、方向、電荷和鑒別出粒子的種類。所以我們探測器的能量分辨，到目前為止在TeV（1000GeV）的地方是1.4%，這個數字比較枯燥，對你們來說沒有意義，但是對我們特別重要。

這1.4%比世界上所有在天上飛的衛星，包括電線上的AMS-02的探測器，能量分辨都要高2倍以上。這意味著，在探測譜線或者一些能譜的變化方面特別有用，這是能量測量的世界最高水平。

在電荷測量方面，從氫元素，氫、氦、鋰、鈹、硼，碳、氮、氧、氟、氖一直到鐵，26種元素，其中鐵的電荷分辨大概在0.3，這也與世界最高水平相當。

上面這張是我們得到的伽馬射線銀河系的天圖。我們可以看到，銀河系是一個盤狀的，上面有一些亮的點，這些亮的點就是伽馬射線源。根據伽馬射線源亮點的大小，我們可以標定出探測器的角分辨水平達到0.2度，在3GeV，這也是與世界最高水平相當。

在粒子鑒別水平方面，這像一個鼓包的東西（見上圖第四張曲線圖），這是信號，我們要探測它。底下比較低的是本底，我們的信號和本底的比例是50倍，也就是本底只佔2％，這是世界最高水平，比日本的CALET大概要高十倍。

也就是說，我們的衛星發射上天，經過標定以後，在能量、方向、電荷，包括粒子鑒別方面，都達到世界最高水平。目前為止，我們大概每天探測500萬個高能粒子，目前已經收集到30億個高能粒子。圍繞整個天區，整個宇宙我們掃描了三次。

宇宙的高能電子由於同步輻散和逆康普頓散射等物理過程，高能電子的能量損失得越來越快。這樣我們地球上看到的TeV以上的高能電子肯定來自於附近的。

暗物質湮滅的時候，也會產生一個往下掉的過程。但是它往下掉和天體往下掉完全不一樣，所以如果我們能精確地測量往下掉，可以來探測宇宙中的暗物質。因為宇宙中天體產生的高能電子流量很低，如果發現TeV以上的流量往下掉，我們就可以通探測這些譜線，來探測暗物質粒子。

還有高能伽馬射線空間分布譜線（這些都是暗物質粒子特徵信號），因為GeV以上沒有其他物理構成能夠產生伽馬射線譜線，只有暗物質粒子湮滅會產生伽馬射線譜線。所以如果我探測到伽馬射線譜線，意味著已經找到了暗物質粒子。另外，還可以通過宇宙線其他能譜的精確測量和空間分布，來探測暗物質粒子。

總的來講，暗物質粒子探測衛星將打開宇宙TeV的窗口，因為TeV以上還沒有人在天上進行觀測過。它的首批科學成果將在近期公開發布，讓我們共同期待「悟空」傳回來的好消息吧！

來源：SELF格致論道講壇

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