姓名: 李凱 ? 學(xué)號(hào):17021211112
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【嵌牛導(dǎo)讀】:暗物質(zhì)探測(cè)又有了新的進(jìn)展泉沾。倫敦時(shí)間11月29日骤星,《自然》雜志在線(xiàn)發(fā)表了中國(guó)科學(xué)家的一項(xiàng)研究成果:利用“悟空”衛(wèi)星獲得了世界上最精確的高能電子宇宙射線(xiàn)能譜,這將對(duì)判定能量低于1TeV(1TeV=1萬(wàn)億電子伏特)的電子宇宙射線(xiàn)是否來(lái)自于暗物質(zhì)起到關(guān)鍵作用爆哑,并有可能為暗物質(zhì)的存在提供新證據(jù)
【嵌牛鼻子】:暗物質(zhì) ?悟空號(hào)
【嵌牛提問(wèn)】:暗物質(zhì)究竟是什么?悟空號(hào)的使命又是什么舆吮?
【嵌牛正文】:
暗物質(zhì)問(wèn)題是粒子物理和宇宙學(xué)的核心問(wèn)題之一揭朝。暗物質(zhì)不發(fā)光,不發(fā)出電磁波色冀,從來(lái)沒(méi)有被直接“看”到過(guò)潭袱。中科院院士吳岳良說(shuō),根據(jù)最新天文觀(guān)測(cè)結(jié)果锋恬,宇宙是由27%的暗物質(zhì)屯换、68%的暗能量和5%的普通物質(zhì)組成的。對(duì)于神秘的暗物質(zhì)与学,科學(xué)家迫切想知道它到底是什么彤悔,對(duì)它們的研究很可能會(huì)引發(fā)科學(xué)上的革命。
2015年12月17日索守,暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星“悟空”發(fā)射成功晕窑,這是中科院空間科學(xué)戰(zhàn)略先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)的首發(fā)星÷逊穑“悟空”衛(wèi)星首席科學(xué)家杨赤、中科院紫金山天文臺(tái)研究員常進(jìn)說(shuō),“悟空”衛(wèi)星是基于暗物質(zhì)粒子湮滅或衰變的假設(shè)(即暗物質(zhì)粒子的湮滅或衰變可以產(chǎn)生各種正截汪、反粒子疾牲,這些粒子在太空中傳播就成了宇宙射線(xiàn)和伽馬射線(xiàn)的一部分)而工作的⊙媒猓“悟空”衛(wèi)星便通過(guò)收集高能宇宙射線(xiàn)粒子和伽馬射線(xiàn)光子阳柔,并分析其能譜和空間分布來(lái)尋找暗物質(zhì)粒子存在的證據(jù)。
“悟空”采用了紫金山天文臺(tái)自主提出的分辨粒子種類(lèi)的新探測(cè)技術(shù)方法蚓峦,實(shí)現(xiàn)了對(duì)高能(5GeV—10TeV)電子盔沫、伽馬射線(xiàn)的“經(jīng)濟(jì)適用型”觀(guān)測(cè)》阖遥“悟空”在軌運(yùn)行的前530天共采集了約28億顆高能宇宙射線(xiàn)架诞,其中包含約150萬(wàn)顆25GeV(1GeV=10億電子伏特)以上的電子宇宙射線(xiàn)「绍裕基于這些數(shù)據(jù)谴忧,科研人員成功獲取了目前國(guó)際上精度最高的電子宇宙射線(xiàn)探測(cè)結(jié)果。
早在“悟空”上天之前,國(guó)際上已有一些空間探測(cè)器在嘗試搜尋暗物質(zhì)沾谓。但由于探測(cè)器規(guī)奈欤或設(shè)計(jì)方案的限制,它們的探測(cè)能區(qū)相對(duì)較低均驶,分辨率和粒子鑒別本領(lǐng)也有限昏兆。而“悟空”采用了創(chuàng)新的設(shè)計(jì)方案,既可探測(cè)低能區(qū)妇穴,也能探測(cè)高能區(qū)爬虱,是世界上第一臺(tái)能在空間觀(guān)測(cè)直至10TeV能量電子和伽馬射線(xiàn)的儀器。
現(xiàn)在“悟空”采集了大量高能電子宇宙射線(xiàn)腾它,清晰地勾勒出電子宇宙射線(xiàn)在寬能量段的能譜行為跑筝,以高置信度觀(guān)測(cè)到了能譜在TeV處的拐折行為,并且在1.4TeV能量處發(fā)現(xiàn)存在精細(xì)結(jié)構(gòu)的跡象瞒滴。
中科院紫金山天文臺(tái)研究員范一中說(shuō)曲梗,電子能譜在高能區(qū)突然出現(xiàn)拐折,一定是有什么“源”影響了它〖巳蹋現(xiàn)在我們不能確定就是暗物質(zhì)影響了它虏两,但如果能夠證明影響它的不是我們已知的物質(zhì),那就很有可能是暗物質(zhì)了世剖。
2016年12月17日碘举,在江蘇南京紫金山天文臺(tái),一名科學(xué)家向記者展示通過(guò)暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星“悟空”的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)完成的一張全天伽馬射線(xiàn)圖搁廓。新華社記者?李響攝
據(jù)常進(jìn)介紹引颈,與以前的測(cè)量結(jié)果相比,“悟空”的能量測(cè)量范圍比其他空間項(xiàng)目顯著提高境蜕,打開(kāi)了宇宙觀(guān)測(cè)新窗口蝙场;“悟空”測(cè)量到的TeV電子的“純凈”程度最高,能譜的準(zhǔn)確性更高粱年;“悟空”首次直接測(cè)量到了電子宇宙射線(xiàn)能譜在1TeV處的拐折售滤,其精確的下降行為對(duì)于判定部分電子宇宙射線(xiàn)是否來(lái)自于暗物質(zhì)起著關(guān)鍵作用。當(dāng)然台诗,“悟空”的科學(xué)發(fā)現(xiàn)有待理論物理學(xué)家做進(jìn)一步的分析闡釋完箩。
對(duì)于這次暗物質(zhì)探測(cè)上的進(jìn)展,常進(jìn)興奮地說(shuō)拉队,電子宇宙射線(xiàn)能譜在高能段出現(xiàn)了“引人矚目的現(xiàn)象”弊知。中科院院長(zhǎng)白春禮則認(rèn)為,“悟空”成果的取得粱快,表明中國(guó)科學(xué)家已經(jīng)從自然科學(xué)前沿理論的學(xué)習(xí)者秩彤、繼承者叔扼、圍觀(guān)者,逐漸走到了舞臺(tái)中央漫雷,中國(guó)科學(xué)家長(zhǎng)期以來(lái)在基礎(chǔ)科學(xué)前沿的投入和付出終于有了回報(bào)瓜富。
它看不見(jiàn)摸不著,
質(zhì)量卻是宇宙中可見(jiàn)物質(zhì)的5倍降盹;
它不發(fā)光不發(fā)熱与柑,
卻影響著宇宙的歸宿。
它是暗物質(zhì)蓄坏。
關(guān)于“悟空”和暗物質(zhì)的故事价捧,
請(qǐng)洗耳恭聽(tīng)。
銀河系外部的旋轉(zhuǎn)速度比理論計(jì)算值要高剑辫,暗示存在大量不發(fā)光的暗物質(zhì)。圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)
上天入地尋找暗物質(zhì)蹤跡
天文學(xué)上有兩類(lèi)測(cè)量天體質(zhì)量的方法:光學(xué)方法和力學(xué)方法渠欺。光學(xué)方法測(cè)量的是天體的發(fā)光強(qiáng)度妹蔽,由光強(qiáng)可以計(jì)算出發(fā)光物體的總質(zhì)量;力學(xué)方法測(cè)量的是產(chǎn)生引力的物質(zhì)總質(zhì)量挠将,這類(lèi)方法包括旋轉(zhuǎn)曲線(xiàn)胳岂、引力透鏡等。
以旋轉(zhuǎn)曲線(xiàn)為例舔稀,一個(gè)天體環(huán)繞另外一個(gè)天體旋轉(zhuǎn)的速度正比于中心天體的質(zhì)量乳丰,質(zhì)量越大,旋轉(zhuǎn)速度越大内贮。所以可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)速度的測(cè)量來(lái)計(jì)算中心天體的質(zhì)量产园。這種方法得到的質(zhì)量是引力質(zhì)量,也就是天體的全部質(zhì)量夜郁。研究發(fā)現(xiàn)什燕,力學(xué)方法測(cè)到的質(zhì)量總是大于光學(xué)方法測(cè)到的質(zhì)量。這表明宇宙中的物質(zhì)并不是都發(fā)光的竞端,科學(xué)家把這部分不發(fā)光的物質(zhì)叫做暗物質(zhì)屎即。天文觀(guān)測(cè)表明,宇宙中的暗物質(zhì)是普通物質(zhì)的5倍多事富。通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)探測(cè)暗物質(zhì)是當(dāng)今的前沿?zé)狳c(diǎn)課題技俐,相關(guān)領(lǐng)域的突破將大大推進(jìn)我們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí),包括宇宙的歸宿是什么统台。
據(jù)估計(jì)雕擂,平均1立方米的空氣中可能就有上千顆暗物質(zhì)粒子。然而贱勃,要探測(cè)到它們并不容易捂刺。暗物質(zhì)不帶電荷,也沒(méi)有電磁相互作用,能毫無(wú)阻礙地穿透障礙物,不著痕跡地從身邊飛走谣拣。為了找到它們的“真身”科學(xué)家費(fèi)盡了腦筋。
科學(xué)家發(fā)現(xiàn)族展,有三種方法也許能找到暗物質(zhì)的蹤跡:直接探測(cè)森缠、間接探測(cè)和對(duì)撞機(jī)探測(cè)。由于運(yùn)動(dòng)的暗物質(zhì)與靜止的原子核會(huì)發(fā)生碰撞仪缸,并將帶電的原子核撞飛贵涵,直接探測(cè)的目標(biāo)就是這些無(wú)緣無(wú)故被撞飛的原子核。大氣中的帶電粒子會(huì)干擾實(shí)驗(yàn)信號(hào)恰画,所以這類(lèi)實(shí)驗(yàn)通常需要在地下實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行宾茂。四川錦屏山地下實(shí)驗(yàn)室是世界上最深的地下實(shí)驗(yàn)室,在這里進(jìn)行的CDEX拴还、PandaX等試驗(yàn)已取得重要的科學(xué)成果跨晴。
間接探測(cè)測(cè)量的是暗物質(zhì)粒子的湮滅。世界上的物質(zhì)都有反物質(zhì),比如電子的反物質(zhì)是帶正電的正電子片林。當(dāng)物質(zhì)與它們的反物質(zhì)相遇時(shí),兩者會(huì)被摧毀端盆,并產(chǎn)生巨大的能量。這個(gè)過(guò)程就叫做湮滅费封。作為一類(lèi)特殊的物質(zhì)焕妙,暗物質(zhì)的反物質(zhì)就是它本身。因此如果兩個(gè)暗物質(zhì)粒子相遇時(shí)弓摘,它們會(huì)因碰撞而消失焚鹊,產(chǎn)生高能光子、中微子和其他帶電高能粒子韧献,如正電子末患、反質(zhì)子。這些粒子會(huì)變成宇宙線(xiàn)在宇宙中高速穿梭锤窑。悟空衛(wèi)星等宇宙線(xiàn)探測(cè)器就是通過(guò)探測(cè)這些特殊粒子阻塑,尋找暗物質(zhì)的蹤跡。
對(duì)撞機(jī)上的高能粒子束對(duì)撞后也可能會(huì)產(chǎn)生暗物質(zhì)粒子果复,而這些暗物質(zhì)粒子攜帶的能量無(wú)法被對(duì)撞機(jī)的探測(cè)器探測(cè)到陈莽,表現(xiàn)在能譜上就是能量動(dòng)量的“消失”。這就是對(duì)撞機(jī)探測(cè)的原理虽抄。這三種探測(cè)方法互為補(bǔ)充走搁,相互印證。
火眼金睛瞄準(zhǔn)宇宙線(xiàn)粒子
悟空號(hào)本質(zhì)上是一個(gè)宇宙線(xiàn)探測(cè)器迈窟。它通過(guò)收集宇宙線(xiàn)的信息來(lái)尋找暗物質(zhì)的蛛絲馬跡私植。悟空號(hào)搭載的高能宇宙線(xiàn)探測(cè)器由四個(gè)子探測(cè)器組成,分別是塑閃陣列探測(cè)器车酣、硅徑跡探測(cè)器曲稼、BGO量能器和中子探測(cè)器索绪。這四個(gè)探測(cè)器就是悟空號(hào)的“火眼金睛”,可以精確測(cè)量宇宙線(xiàn)粒子攜帶的能量贫悄,入射角度等信息瑞驱。其觀(guān)測(cè)對(duì)象包括宇宙線(xiàn)正負(fù)電子、伽馬射線(xiàn)窄坦、質(zhì)子唤反、氦核以及更重的核素宇宙線(xiàn)。
悟空號(hào)的特點(diǎn)是研發(fā)成本相對(duì)較低鸭津,但性能先進(jìn)彤侍。國(guó)際上的空間暗物質(zhì)探測(cè)器阿爾法磁譜儀(AMS-02)、費(fèi)米衛(wèi)星(Fermi-LAT)分別耗資20億逆趋、7億美金盏阶,悟空的全部費(fèi)用僅僅是AMS-02的二十分之一。悟空號(hào)采用的是紫金
山天文臺(tái)研究人員自主提出的分辨粒子種類(lèi)的新探測(cè)技術(shù)方法闻书,使它在高能電子名斟、伽馬射線(xiàn)的能量測(cè)量準(zhǔn)確度以及區(qū)分不同種類(lèi)粒子兩方面領(lǐng)先于世界同類(lèi)探測(cè)器。這些優(yōu)勢(shì)賦予悟空號(hào)尋找尖銳能譜信號(hào)的強(qiáng)大能力惠窄,第一批數(shù)據(jù)結(jié)果也印證了這一點(diǎn)蒸眠。
悟空號(hào)于2015年12月17日發(fā)射成功漾橙。衛(wèi)星在軌運(yùn)行的前530天共采集了約28億個(gè)高能宇宙射線(xiàn)事例杆融,其中包含約150萬(wàn)個(gè)25GeV(1?GeV=10億電子伏特)以上的電子宇宙射線(xiàn)∷耍基于這些數(shù)據(jù)脾歇,科研人員成功獲取了目前國(guó)際上精度最高的電子宇宙射線(xiàn)探測(cè)結(jié)果。
精確能譜或揭開(kāi)暗物質(zhì)面紗
悟空號(hào)如何尋找暗物質(zhì)淘捡?
超新星爆發(fā)等劇烈的天體物理過(guò)程會(huì)形成高能電子藕各。這些電子在宇宙中穿梭、互相碰撞焦除、交換能量激况,形成了電子宇宙線(xiàn)背景”炱牵科學(xué)家將宇宙中這些電子的數(shù)量隨能量的變化畫(huà)成一張圖乌逐,并將其稱(chēng)作能譜。根據(jù)對(duì)宇宙線(xiàn)加速機(jī)制的理論計(jì)算创葡,可以得到一條由常規(guī)宇宙射線(xiàn)源產(chǎn)生的背景曲線(xiàn)浙踢。這條曲線(xiàn)較為平滑,在較低能部分電子數(shù)量較多灿渴,隨著能量的升高洛波,電子數(shù)量快速減少胰舆。而悟空號(hào)希望探測(cè)到的,則是疊加在這條曲線(xiàn)之上的“額外”宇宙射線(xiàn)粒子蹬挤,這些粒子正是來(lái)自暗物質(zhì)湮滅缚窿。
其實(shí),之前已經(jīng)有空間探測(cè)器找到了疑似暗物質(zhì)的蛛絲馬跡闻伶。比如AMS-02和Fermi-LAT都發(fā)現(xiàn)滨攻,宇宙中特定能量段的電子會(huì)有所增多。表現(xiàn)在能譜上蓝翰,則是宇宙線(xiàn)能譜曲線(xiàn)不再單調(diào)下降光绕,而是疊加了一個(gè)“鼓包”。不過(guò)遺憾的是畜份,它們只測(cè)量到了這個(gè)小“鼓包”的上升部分诞帐,也就是怎么鼓起來(lái)的部分,沒(méi)有測(cè)量到這個(gè)“鼓包”是怎樣下降的爆雹。
相對(duì)于AMS-02停蕉、Fermi-LAT等探測(cè)器,悟空號(hào)對(duì)電子宇宙射線(xiàn)的能量測(cè)量范圍有顯著提高钙态。此外悟空號(hào)區(qū)分粒子種類(lèi)慧起,尤其是把電子事例從大量的質(zhì)子事例中區(qū)分出來(lái)的能力非常強(qiáng),讓悟空號(hào)能探測(cè)到最為純凈和準(zhǔn)確的高能電子能譜册倒。
在尋找暗物質(zhì)的征途中蚓挤,悟空號(hào)果然不負(fù)眾望驻子。它不僅探測(cè)到與AMS-02和Fermi-LAT類(lèi)似的能譜上升過(guò)程灿意,還清楚地看到電子宇宙射線(xiàn)能譜在1TeV(1萬(wàn)億電子伏特)處開(kāi)始下降,也即完整地看到了“鼓包”上升和下降的整個(gè)過(guò)程崇呵。這對(duì)于理解這些特殊電子的起源非常重要荒辕。因?yàn)榭茖W(xué)家已經(jīng)構(gòu)建了多種模型來(lái)描述暗物質(zhì)的行為估脆。這些模型預(yù)言了科學(xué)家觀(guān)測(cè)到的宇宙線(xiàn)能譜“鼓包”:相似的能譜上升過(guò)程疙赠、各異的能譜下降過(guò)程厌衔。換句話(huà)說(shuō)页徐,只有精確探測(cè)到“鼓包”的下降過(guò)程戳气,才能確定哪個(gè)模型更加接近暗物質(zhì)粒子的本質(zhì)⊙辜科學(xué)家接下來(lái)要做的,便是根據(jù)“鼓包”的下降過(guò)程馒铃,分析其物理本質(zhì)到底是什么堕虹。
此外赴捞,悟空號(hào)的觀(guān)測(cè)還發(fā)現(xiàn),能量為1.4?TeV的宇宙線(xiàn)粒子會(huì)突然增多郁稍。這暗示著在該能量附近可能存在新物理螟炫。比如宇宙中可能存在著質(zhì)量為1.4TeV左右的暗物質(zhì)粒子或者某種奇特的天體可以加速出單一能量的高能電子。目前悟空號(hào)運(yùn)行狀態(tài)良好艺晴,正持續(xù)收集數(shù)據(jù)昼钻,一旦該精細(xì)結(jié)構(gòu)得以確證,將是粒子物理或天體物理領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)封寞。