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导语:宇宙中分布着约68%的暗能量和27%暗物质,而我们看得见、摸得着的普通物质仅占5%,就如同深沉夜幕中几颗闪光的星星。为捕捉暗物质粒子湮灭或衰变后留下的痕迹,为寻找宇宙起源,科学家们一直都在尽力寻找这些夜空中最“暗”的星”。在SELF x 墨子沙龙的舞台上,暗物质粒子探测卫星首席科学家常进为我们讲述,探究暗物质粒子的科学历程。

常进   暗物质粒子探测卫星首席科学家   中科院紫金山天文台副台长常进   暗物质粒子探测卫星首席科学家   中科院紫金山天文台副台长

以下内容为常进演讲实录:

我叫常进,目前是暗物质粒子探测卫星的首席科学家。我向大家介绍一下空间探测暗物质粒子的一些情况。

从太阳系的边缘看地球,地球就像一颗太阳里的浮尘。银河系里大概包含了一千亿个这样的太阳,当我们从银河系里看太阳的时候,它根本连浮尘都算不上,是一个点。

银河系是一个棒旋星系,包括一根棒,两个大的旋臂,两个大的旋臂又分了好多小的旋臂。银河系里的太阳与银河系中心的距离大概是2.5万光年。在北京兴隆山上,有个LAMOST望远镜,它是我国目前最大的光学望远镜,通过测量大量的恒星光谱,得出太阳的速度是每秒240公里。太阳绕银河系中间转,转一圈需要2.3亿年,所以你这辈子都不可能绕银河系转一圈了。

我们知道,人造卫星绕地球转,离地球越近的时候速度越快,离地球越远的时候速度要慢下来。如果卫星在离地球很远的地方仍然保持高速,它肯定会跑出地球,飞进太阳系。

但是有一个很有趣的现象,银河系里的发光物质或者气体的分布,大概是10万光年这样的尺度。根据太阳和银河系中间发光物质的分布,科学家可以准确地把太阳绕银河系的速度计算出来,大概是每秒160公里。

但刚才我们提到,LAMOST观测到的太阳实际绕行速度不是160而是240公里,为什么太阳的速度这么快,却没有飞出去银河系呢?是因为太阳和银河系中间存在着大量我们还没看得见、看不见的物质,可能是暗物质。

我们测量银河系外围的星云也就是气体绕银河系转的速度,发现它的速度也在200公里左右。根据这些尺度、速度、距离,我们大概推断出银河系里的物质分布大概是发光物质分布的10倍,还有90%的东西是不发光的。

这是一个微波背景图像,也就是宇宙大爆炸38万光年以后,宇宙辐射冷却下来的一个图像。现在宇宙学进入精确宇宙学时代,测温度我们精确到零点几个毫K,也就是10^-6开尔文的变化。

图片里可以看到,有的地方红一点,有地方蓝一点,看上去相差很大,实际上是图片把它放大了,温度变化其实只有千分之一左右。这千分之一的变化,就表示了整个宇宙中的物质分布情况,有的地方分布得多,有的地方分布得少。

根据这张图,再结合刚才的旋转曲线、X射线观测、引力透镜的观测情况,总之有大量的天文观测,现在的最新结果表示,宇宙中我们只弄清了5%,还有95%是看不见的暗物质和暗能量。其中暗物质大概占26%点几,接近70%的是暗能量。

我今天重点讲暗物质。刚才讲了那么多天文观测结果,表明暗物质在宇宙中是肯定存在,但是暗物质的物理性质是什么呢?

人类到目前为止已经弄清楚,物质是由61种基本粒子组成的。前几年“上帝粒子”被发现了,但是这61种基本粒子和暗物质粒子的物理性质都不吻合,那么暗物质粒子必须具备什么性质呢?

长寿命、质量大,不参与强相互作用和电磁相互作用,只有引力相互作用,可能有弱相互作用,现在还未被证实。这就是暗物质粒子探测这么热门的原因,也就是说,如果我们在暗物质方面取得一些突破,肯定在标准的物理学上也会取得突破。

61种基本粒子最难测出来的是希格斯粒子——上帝粒子。为什么它这么难探测?是因为不知道它的质量多大。

这里我讲一个故事。我有个朋友他现在已经退休了,希格斯粒子——上帝粒子上个世纪60年代提出来的时候,他当时正好是念高能物理的研究生,他的主要研究方向就是寻找希格斯粒子。

当时世界上认为,希格斯粒子在MeV(百万电子伏特)量级,认为在实验室就可以探测到——我们知道,核物理构成大部分在MeV。后来实验室并没探测到。有科学家认为,可能它在几十个MeV,接近GeV(十亿电子伏特),于是拿到加速器上去测。所以我这个朋友到斯坦福去做博士后,在斯坦福搞了5年还是没探测到,他认为希格斯粒子的质量可能在GeV以上,有十个GeV左右。

那时候,德国有一个最大的加速器就叫DESY。我们知道丁肇中先生诺贝尔奖拿到以后,也是在DESY做高能物理实验。在DESY加速器上找希格斯粒子,花了有10年时间还是没找到,于是认为希格斯粒子的质量可能在几十个GeV。那时候,最大的加速器已经搬到欧洲核子中心,也就是瑞士日内瓦和法国交界的地方,名字叫LEP对撞机。

我那朋友又在LEP上干了十几年,还是没有找到,认为希格斯粒子可能在100Gev以上。这时候更大的大型强子对撞机建好了,找到了希格斯粒子,但是他已经退休了。

到目前为止,我们还不知道暗物质粒子质量究竟多大,但是我们希望这样的故事不要在我们身上发生。我们努力工作,希望能够尽快找到暗物质粒子。

刚才讲了,暗物质在宏观分布上占宇宙的主要部分,但在微观密度上并不强,在地球附近的分布大概在每立方厘米0.3个质子。这个数字比较抽象,比如地球这么大的体积装满了暗物质,大概只有几公斤,所以在地球附近找到暗物质是一件很难的事情。

那么怎么去探测暗物质粒子?有三种方法,第一种是在加速器上探测。加速器上通过高温粒子碰撞模拟宇宙大爆炸,将暗物质粒子碰撞出来探测到它。

目前最大的加速器,也就是发现上帝粒子的LEP强子对撞机,对撞能量目前已经到了13个TeV(1000GeV),实际是14个TeV。可惜四五年下来了,暗物质粒子探测方面没有取得什么成果。

第二种方法是地下直接探测法。让暗物质粒子与普通原子核碰撞,像打台球一样的,一个球撞另外一个球。暗物质本身不可见,但是暗物质碰撞另外一个球(原子核)以后,原子核会动,通过探测反冲原子核来探测暗物质粒子。

为什么放到地底下?因为球动的能量量级大概在KeV(千电子伏特)到MeV量级,而地面上这样的本底(环境中本身存在的)最多,尤其是宇宙射线,天上来的高能粒子轰击大气,产生的大量次级粒子也在这个能段里面。

所以为了屏蔽这一部分本底,必须把探测器放到地底下,放得越深本底会越低。我们国家将在锦屏山建立世界上最深的地下试验室,用来探测暗物质粒子,上海交大和清华大学都有实验在那儿做。

第三种方法是空间探测暗物质粒子。因为暗物质粒子来自宇宙大爆炸,在宇宙大爆炸刚开始的时候,暗物质粒子和暗物质粒子碰撞产生看得见的粒子,但是看得见的普通物质粒子碰撞全部产生暗物质吗?到目前为止,研究表明是不可能的,否则我们就不可能存在,因为物质都变成暗物质了。

所以从逻辑上讲,暗物质和暗物质碰撞肯定会产生看得见的粒子。于是我们通过探测暗物质粒子碰撞所产生的看得见的粒子,去探测看不见的暗物质粒子。

到目前为止,加速器上没有看到暗物质粒子的信号,地下实验也没有看到暗物质粒子的信号,天上也没有看到,但是看到了一些迹象。比如丁肇中先生领导的AMS团队,通过在天上差不多5年多的数据,发现宇宙中,高能正电子流量比理论模型要高。

理论模型预计,正电子流量随着能量的增加,应该往下降。但是在天上发现,随着能量的增加,流量并没有掉下来,反而增加了。这些增加的正电子,是来自于暗物质粒子,还是来自特殊的天体物理过程,我们并不是很清楚。

目前还没有办法下结论,主要原因是探测器不够大、灵敏度不够,观测的能量区间比较低。所以,我们需要一个新的探测器,通过探测天上的高能粒子能量、方向、电荷,鉴别出它的种类,来探测暗物质粒子。这就是我们暗物质卫星提出的主要的背景。

暗物质粒子探测卫星,实际上是一个望远镜。它工作在高能量波段,大概比光学的波段要高1012,所以这么高能量的高能光子和探测器作用以后,它不会产生反射、折射等普通的波的光学性质,高能光子和探测器发生作用后产生正负电子对,我们这个望远镜通过探测正负电子对的方向、能量,来判断天上高能光子的方向和能量。

整个探测器从上到下大概有四层,最顶部是塑料闪烁体探测器,区分粒子的电荷,它是兰州的中国科学院近代物理所做的,中间是硅阵列探测器,这是高能物理所和一些国际合作团队做的。

底下是最主要的探测器——一吨多重的BGO量能器。这个探测器是由中国科学技术大学负责做的,最底下一个中子探测器是紫金山天文台做的,整个四个探测器组合在一起,可以高精度地测量入射粒子的方向、能量、电荷,并鉴别出粒子的种类。10-6

这个探测器,2015年年底发射上天了,到目前为止各项性能工作正常,整个探测器重量是1.4吨多重,功耗600瓦,它工作在什么样的轨道上呢?500公里的太阳同步轨道,太阳从早到晚任何一个方向都能照到这个卫星上,保证这个卫星的温度比较稳定。

探测器由7万多个子探测器组成, 整个探测器是一个大的望远镜,这个大望远镜有七万多路小的传感器组成,所以每一个高能粒子打上去,有7万多个信号出来。根据7万多个信号,我们可以判断入射粒子的能量、方向、电荷。

这个图像就是探测器得到的在x平面、y平面的高能粒子的图像。我们重建入射径迹可以得到入射粒子的方向,然后根据径迹得到顶部的能量沉积,可以得到它的电荷。

这是一个典型的、立体的、三维300多GeV(十亿电子伏特)的高能电子打在望远镜上,产生的一幅图像。整个探测器的性能主要是测量能量、方向、电荷和鉴别出粒子的种类。所以我们探测器的能量分辨,到目前为止在TeV(1000GeV)的地方是1.4%,这个数字比较枯燥,对你们来说没有意义,但是对我们特别重要。

这1.4%比世界上所有在天上飞的卫星,包括电线上的AMS-02的探测器,能量分辨都要高2倍以上。这意味着,在探测谱线或者一些能谱的变化方面特别有用,这是能量测量的世界最高水平。

在电荷测量方面,从氢元素,氢、氦、锂、铍、硼,碳、氮、氧、氟、氖一直到铁,26种元素,其中铁的电荷分辨大概在0.3,这也与世界最高水平相当。

上面这张是我们得到的伽马射线银河系的天图。我们可以看到,银河系是一个盘状的,上面有一些亮的点,这些亮的点就是伽马射线源。根据伽马射线源亮点的大小,我们可以标定出探测器的角分辨水平达到0.2度,在3GeV,这也是与世界最高水平相当。

在粒子鉴别水平方面,这像一个鼓包的东西(见上图第四张曲线图),这是信号,我们要探测它。底下比较低的是本底,我们的信号和本底的比例是50倍,也就是本底只占2%,这是世界最高水平,比日本的CALET大概要高十倍。

也就是说,我们的卫星发射上天,经过标定以后,在能量、方向、电荷,包括粒子鉴别方面,都达到世界最高水平。目前为止,我们大概每天探测500万个高能粒子,目前已经收集到30亿个高能粒子。围绕整个天区,整个宇宙我们扫描了三次。

宇宙的高能电子由于同步辐散和逆康普顿散射等物理过程,高能电子的能量损失得越来越快。这样我们地球上看到的TeV以上的高能电子肯定来自于附近的。

暗物质湮灭的时候,也会产生一个往下掉的过程。但是它往下掉和天体往下掉完全不一样,所以如果我们能精确地测量往下掉,可以来探测宇宙中的暗物质。因为宇宙中天体产生的高能电子流量很低,如果发现TeV以上的流量往下掉,我们就可以通探测这些谱线,来探测暗物质粒子。

还有高能伽马射线空间分布谱线(这些都是暗物质粒子特征信号),因为GeV以上没有其他物理构成能够产生伽马射线谱线,只有暗物质粒子湮灭会产生伽马射线谱线。所以如果我探测到伽马射线谱线,意味着已经找到了暗物质粒子。另外,还可以通过宇宙线其他能谱的精确测量和空间分布,来探测暗物质粒子。

总的来讲,暗物质粒子探测卫星将打开宇宙TeV的窗口。因为TeV以上还没有人在天上进行观测过,我们希望在不远的将来,中国人能够在天上找到暗物质粒子!


来源:新浪科技     时间:2017年11月29日

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