暗物質粒子探測衛星的工作原理是什麼？

11-16

能幫助科研工作做些什麼？現在國際上的暗物質探測技術是怎樣的？
相關消息：

從中國科學院獲悉：由該院承擔研製、生產工作的暗物質粒子探測衛星取得重要進展，由四層粒子探測器組成的科學探測有效載荷日前聯試成功，順利交付衛星總體，為今年年底衛星在酒泉衛星發射中心升空奠定了基礎。 ? 中國2015年底將發射暗物質粒子探測衛星

大家好，我是中科院紫金山天文台副台長，研究員，中國暗物質粒子探測衛星首席科學家常進。很高興有機會在這裡，把暗物質的情況給大家分享一下。接下來我就給大家簡單科普一下什麼叫暗物質，暗物質是怎麼發現的，相關的構成，以及如何探測暗物質，國際目前最新的探測暗物質的情況是什麼樣的……

l 暗物質的發現

我們是天文觀測者，唯一的特長是用望遠鏡去觀測。所有的問題，我們都希望能通過望遠鏡看清楚，希望通過物理的探測，研究它物理的本質。

打個比方，我們的工作就像人口普查，只不過為了弄清地球上人口的分布情況，我們可能是通過造一個望遠鏡到天上去，晚上來觀測地球表面的發光情況，根據光亮的大小，把人口估算出來。

可是沒有亮光，是不是就沒有人呢？通過發光的方法研究人口，其實不一定準確。

回過頭來，我們講暗物質的發現。

測量物質的分布，其實跟剛才一樣，也可以通過發光的方法。消除了距離的不確定因素、發光的多少、強度的大小，就可以把整個天體的質量大概的估算出來。

我們把這個問題引入到更宏觀，測量天體的質量。

其中一種方法是測量天體的發光度，根據發光的強度算出來發光物質的質量。

還有一種方法，根據萬有引力定律，測量物質的質量或者天體的質量，即是去測量速度和距離的關係，把速度和距離測出來了，天體的質量就可以測出來。

人造衛星繞地球轉的時候，把人造衛星到地球的距離測出來，人造衛星在該距離上的速度測出來，地球的質量就測出來了。衛星離地球遠的時候，速度會慢下來，離地球近，速度會很快。當我們觀測到如果人造衛星離地球很遠的時候，它還保持那麼高的速度的話，人造衛星肯定要跑出地球，進入太陽系。如果速度再大，它就可能飛出太陽系。

l 暗物質概念的提出

上世紀三十年代，瑞士天文學家Fritz Zwick在研究Coma星系團的時候發現星系團中的星系彌散速度非常大，根據維里定理計算出的星系團的總質量要遠大於根據發光度計算出來的星系團質量。也就是說星系的運動速度太快了，僅靠星系團中的發光物質是束縛不住速度如此大的天體的。他推測星系團中存在著大量不發光的物質，並稱之為暗物質。

小朋友弄一個球，繞著繩子轉，轉的速度越來越快，球肯定要飛出去，道理是一樣的。

當時測量星系的速度，光譜儀的測量精度還不是很高，儘管他當時提出了暗物質的想法，但是並沒有得到大家的認可，大家認為有可能是系統誤差，測不準。

過了三四十年，到上世紀70年代，美國有一個女天文學家Vera Rubin（她除了諾貝爾獎外，已經得到了物理學上所有的獎）。她當時觀測速度採用的是世界上最先進的光譜議，測量的誤差很小，也就是說測量技術沒問題。

她觀測的不是星系團，而是星系裡面恆星和其他星際物質的旋轉速度，根據萬有引力定律，隨著距離的增加，速度往下降。但是她發現實際觀測中，距離增加時，速度並沒有往下降，跟萬有引力相差比較大。

星系裡面這些物質的旋轉速度太快了，光靠發光物質的引力無法將恆星束縛在星系裡面。如果質量的分布就是發光物質的分布的話，這些物質早就跑到星系外。現在沒有這樣，這說明星系裡面必然存在大量的看不見的物質，也就是暗物質，其產生的引力才能將這些物質束縛在星系裡。

這個就是暗物質的概念。從上世紀70年代開始，漸漸得到了人們的認可。

這位女天文學家早期研究的是星系成群還是隨機分布。現在我們知道，存在大量的看不見的暗物質，首先形成網，像引力井一樣，可見物質掉到引力井裡面，漸漸形成了恆星、星系、星系團，星系團肯定是成團分布的，宇宙網的基點上是星系團。

這些認識現在得到了大家的認可，但是在上世紀50年代，她博士論文中的這個結論，卻15年沒有得到認可，因為按照當時的理論分析，星系應該是隨機分布的，均勻分布的星系是不會成團分布的。

銀河系裡面的恆星有四大旋臂，這些恆星都在臂上，並不是在星系裡面均勻分布，也是成群、成團的分布。現在這些問題很容易解釋，在那個時代，還沒有人發現。研究星系旋轉曲線，得到了暗物質概念，基本上她算成功了。

其實，她發現暗物質之前，一個丹麥天文學家早就發現了銀河系裡面的恆星旋轉，其速度並沒有隨著距離的增加而降低，而是保持不變。但他認為可能是測量的問題，可能是系統誤差，他儘管發表了，但是沒去解釋暗物質，從其他方面去解釋的。

這告訴我們，在研究過程中，一些看似不起眼的蛛絲馬跡，很可能會導致重要的發現。對一些特殊的現象，要深入的研究，而不是簡單的把它放過去。

我們再看太陽系。按照發光物質的分布，太陽與銀河系的中心大概是8KPC（KPC：千秒差距，天文學上量度距離的單位，1KPC等於一千個秒差距或者3260光年）的距離，推斷出來的速度是每秒160公里，而最新的測量數據是每秒240公里。也就是說，理論上發光物質的分布得到的速度要高50%，太陽系必須存在大量的看不見的暗物質，否則太陽就飛出銀河系。

剛才是旋轉曲線，人們認為牛頓的萬有引力定律，可能在宇宙學的尺度上存在問題，要得到距離和速度的關係，我們可以通過修改萬有引力定理得到曲線。

星系發光物質的分布，當然可以通過錢德拉望遠鏡把它觀測出來。

研究兩個星系的質量分布，我們還可以通過另外一種方法，引力透鏡。

今年年初引力波很轟動，根據愛因斯坦的廣義相對論，光線在引力場中不是沿直線傳播的，而是會有一定彎曲。根據光線的彎曲的大小，可以把質量分布測出來。

兩個星系團碰撞時，暗物質不發生相互作用，有沒有物質，產生的速度一樣。但是普通物質和普通物質之間存在著相互作用，所以它走的慢一點。這樣就形成了一個只包含暗物質的區域，這樣的觀測結果是無法用修改引力的方法很好的解釋的。

世界上沒有一個容器能把暗物質裝起來，暗物質與普通物質不發生任何相互作用，任何東西都擋不住暗物質。想把它抓住，不可能，它會從你的身上溜走。這種觀察技術出來以後呢，基本上暗物質越來越受到大家的認可。

宇宙中95%的是看不見的物質——暗物質和暗能量，其中暗物質占宇宙的總能量密度的27%，人類只弄清了宇宙的5%（即可見物質）。

根據當前的觀測技術，基本上可以把暗物質的物理性質統計出來，不發光，密度大。可見物質是5%，暗物質是可見物質的5倍，27%。暗物質壽命長，它來自於宇宙大爆炸，現在已經138億年，如果暗物質的壽命很短的話，它早就衰變了，不存在了。

由於標準模型中的所有基本粒子，人類已經發現了，所有的基本粒子我們都找到了，沒有一個基本粒子與暗物質粒子相匹配，標準模型中所有的粒子都不滿足這些性質。也就是說，如果我們找到了暗物質粒子，它肯定不在標準模型裡面，這也就意味著現有的標準的物理學模型會得到突破。這也是為什麼暗物質這麼熱。

宇宙中最不可理解的事，是宇宙居然是可以理解的，這是愛因斯坦講的，他完成了廣義相對論，說出了這一段話，通過廣義相對論，他認為能把整個宇宙了解了。但是他把這個話說早了，現代宇宙還沒有完全理解，因為暗能量和暗物質還沒弄清楚，宇宙到現在為止，還是不可以理解的。

l 暗物質的探測

現在是一個探測暗物質的時代，把暗物質弄清楚，肯定會導致物理學革命。

怎麼探測呢？有三種方法。

第一種是在加速器上模擬宇宙大爆炸。

加速器探測就是通過高能粒子碰撞，模擬宇宙大爆炸，將暗物質粒子打出來，然後去探測，這比較容易理解。

人們弄清楚了高能粒子都是可見的，通過可見的高能粒子碰撞，產生看不見的暗物質粒子。

世界上最大的加速器在瑞士，有兩個大的實驗裝置，一個是ATLAS，一個是CMS，這兩個設備都耗資10億元以上，用來探測最高能的基本粒子。在暗物質問題上，已經工作了五六年了，還沒有取得任何革命性的進步。對暗物質不同的模型，提出了一些限制，但是沒有根本性的找到暗物質粒子。

第二種方法，在地下直接探測，即在地下直接探測暗物質粒子與普通原子核碰撞產生的信號。

暗物質粒子和普通原子也許會存在碰撞，就像兩個小球碰撞一樣。暗物質不可見，但是暗物質和普通的原子核碰撞以後，普通的原子核會動起來，如果原本靜止的原子核動了一下，就可能是暗物質碰撞引起的。這種方法就是通過探測暗物質粒子與普通原子核碰撞產生微弱信號來探測暗物質粒子。

為什麼要到地底下去呢？

我必須把本底加上。

其一是我們的地面上，使用的一般材料裡面都有很微量的放射性元素，這些放射性元素衰變的時候，發出的能量範圍和暗物質粒子碰撞範圍一樣。

其二是宇宙線，天上隨時隨地有大量的高能粒子飛到大氣裡面，高能粒子和大氣作用，產生大量次級粒子，這些次級粒子也是暗物質粒子探測的本底。

把宇宙射線本底屏蔽掉，必須放在地底下。放的越深，宇宙射線產生的本底會越低。這種實驗很熱，韓國、中國台灣都有這樣的實驗去探測暗物質。

我們國家將在錦屏山地下建世界上最深的地下實驗室來探測暗物質。我們國家的實驗室深2500米。它不是往地底下去，而是在高山打隧道，在隧道裡面建實驗室。在四川的錦屏山雅礱江，為了建這個實驗室，打了一個隧道，穿過錦屏山。

如果我們要探測暗物質跟原子核的碰撞，現在有三種物質可用於實驗，一種是半導體硅，讓硅原子和暗物質碰撞。另一種是氙氣，氙是惰性氣體，大氣裡面會存在微量的氙。還有氬。

假設暗物質的質量是120個氫原子核，一個人是50公斤，每秒鐘是5億個暗物質粒子穿過你。如果是一個GeV呢，提高10倍，每秒鐘有50億個暗物質粒子穿過你。不要害怕，如果穿過你，和你發生影響了，我們早就探測到暗物質粒子了，現在探測不到就是因為它和你沒有發生任何相互作用，我們找不到。

探測方法有兩種，一種是時間調製法，一種是事例搜尋。

地球繞太陽轉是圓圈，太陽繞銀河系也在轉。從銀河系裡面假定一個暗物質風，不停的吹出來。春天，暗物質風和地球運動的方向是一致的。秋天是相反的，繞了一圈，有時跟暗物質同向，有時跟暗物質反向。

這就好比如果你和人群是同方向運動時，你每秒鐘碰到的人數基本上不變；如果和人行的方向相反，不停的碰到不同的人。因為你碰到的暗物質粒子一年四季不一樣，會看到一個調製現象，春天多，秋天少。根據時間變化，我們可以找到暗物質。根據一年四季碰到的暗物質粒子的數目不一樣，探測變化的曲線，這是時間調製法。

我們中國科學院高能物理所和羅馬的幾個大學合作，在義大利探測到了調製曲線。春天、夏天、冬天溫度是變化的，濕度是變化的。由於溫度濕度的變化，大氣的變化，都會產生這些調製現象。調製究竟來自於暗物質，還是來自於一年四季氣侯的變化，現在還沒有弄清楚。

現在的實驗做調製，是一個放在南半球，一個放在北半球。如果看到的調製是一樣的，基本排除了細微的變化。

但是時間調製法需要很長時間，這個實驗做了八年，到現在還沒有得到認可，也許過一段時間，能得到肯定的結論。

我們剛才講了，所有的本底來自宇宙射線和材料，通過材料、集團到地底下，把本體降為零，如果來一個信號，肯定來自暗物質粒子。無法區分的本底，通過探測器的技術把它區分開。原子核動一下是一個能量，把能量轉變成光信號、電信號、熱信號，通過探測光、電、熱來探測暗物質粒子。也就是說，把暗物質粒子碰撞的原子核能量轉變成光信號、電信號、熱信號，通過光的變化、電的變化和溫度的變化探測暗物質粒子。這是台灣在使用的技術，不是新的技術。要是把三種技術組合在一起，我們可以把暗物質粒子產生的反射原子核的信號和宇宙線本底區分開來，探測暗物質粒子。

把暗物質粒子碰撞原子核產生的信號轉變成光、電和熱信號來探測暗物質粒子。這樣的我們有兩個實驗室，一個是清華大學的，把暗物質產生的信號轉變成電信號探測暗物質粒子。另一個是上海交大的，是讓暗物質粒子和大氣裡面的惰性氣體原子核碰撞，原子核動一下會發光。把探測器加上強電場，通過探測光和電兩個信號來探測暗物質粒子。

世界上那麼多實驗室探測暗物質粒子，目前為止，沒看到具體的信號，只給出了一個下限。一般的探測器100公里內探測到，說一下100公里有多少原子，我可以把暗物質碰撞的概率算出來。這是一個截面，碰撞的概率，現在到10的負45次方，還沒有找到它。人們認為再過四五年時間，把實驗室做得更大一點，或許就能探測到概率更低的信號。

第三種是到空間間接探測。到空間去間接探測暗物質粒子在與暗物質粒子碰撞以後，會產生看得見的粒子，通過探測這些看得見的粒子去探測看不見的暗物質粒子。我國去年發射的暗物質粒子衛星「悟空」就屬於這一種，待會兒詳細介紹。

天上的本底很多，天上的高溫粒子太複雜了，什麼樣的高溫低密度的都有，通過探測什麼樣的粒子能探測暗物質粒子？

首先想到探測反物質粒子，因為反物質粒子來自於原初粒子碰撞產生的次級粒子，也就是原初粒子，與星際界體、與物質作用才會產生反粒子。在天上的質子是最多的高能粒子，但是反質子很少，只有質子的萬分之一。

暗物質粒子湮滅時會產生質子和反質子，如果通過產生粒子探測暗物質粒子，本底大概高6萬倍，如果反粒子，本底很低，容易探測到。

但是怎麼探測反粒子？

通過磁場。

帶電粒子在磁場中偏轉，根據帶電粒子在磁場中偏轉的方向，可以定住帶電粒子的電的極性。

在天上放一個強大磁場是很難的事，人類花了十幾年時間，希望在天上放一個超導體，到現在為止，都沒成功。這次上天的並不是一個超導磁鐵，而是一個普通的永久磁鐵。總的重量是7噸，要把一個7噸重的東西送到天上去是很難的事，耗資也很大，大概耗資20億美元。

永磁鐵磁場強度不夠強，由於磁場強度的限制，高能粒子增加的時候，偏轉角度越來越小，以至於測不出來，到300個GeV的時候，偏轉角就測不出來了，把偏轉的方向測反了的大概是10%。10%不是一個很大的數目，但是我剛才講了質子和反質子相差1萬倍，10%也就是讓你的本底一下提高了1000倍，顯然測量方法會受到能量限制，隨著能量的增加，這種方式不現實，不能用磁譜儀，我們必須尋找另外的方法。

另外的方法怎麼探測暗物質？

尋找一些特徵信號，比如說伽瑪射線譜線，如果落在GeV以上，探測到伽瑪射線譜線，這就是暗物質粒子最強的證據，因為沒有其他的天體物理過程能在GeV以上產生伽瑪射線線譜。

第二個是高能帶電粒子的電子頻段。其實它也是一個譜線。由於高能粒子在銀河系裡面傳播的時候，銀河系裡面有磁場，在磁場中傳播它會轉彎，會產生能量。銀河系裡面有大量的背景光，尤其電子跟背景光發生相互作用。高能電子在銀河系傳播，你看到的不是一個線譜，而是一個連續譜，它的能譜有一個，這個截斷就是暗物質粒子的質量，暗物質湮滅產生的高能電子的能量不能超過這個質量，這是暗物質粒子的特徵。

我們知道銀河系裡面的物質分布是盤狀的，如果我探測到伽瑪射線譜線，分布是球狀的，也可以是雲狀的，這也是暗物質產生的強烈證據。普通的物質是盤狀的，不可能產生雲狀的伽瑪射線分布，只有暗物質和暗物質相互作用的時候才會產生。銀河系裡面的暗物質分布和普通物質不一樣，它是球狀分布或者雲狀分布。

最近的觀測有了一些進展，地下有進展，沒看到信號，天上看到了信號，但是沒辦法判斷這些信號來自於暗物質，還是來自於特殊的天體物理構成。AMS看到天上的正電子隨著能量的增加，並沒有下降，而是在上升。多出來的正電子來自哪兒？可能是暗物質，也可能是我們沒弄清楚的特殊的天體物理過程。

十幾年以前，我們在南極放了氣球，觀測到宇宙的電子譜和宇宙線模型相比，也有一個超出，超出的部分來自哪兒，也不清楚。

我們看到了一些信號，反電子、正電子、電子與宇宙線模型相比，有一些超出。看到了暗物質六個特徵裡面的五個，最關鍵的沒看到。現有的探測器由於儀器的靈敏度的限制，或者是分辨的限制、能力的限制，沒辦法把六個特徵全部探全。

一般的磁譜儀到了300個GeV的時候，粒子不多了，我們希望用一個新的探測器，測量能段要比AMS-02高10倍以上，把天上的本底區分開來。這就是提出暗物質衛星的依據。

為什麼提出這個項目？現有的所有的天上的儀器無法給出一個確切的結論：究竟有沒有暗物質？它在哪兒？物理性質是什麼？由於它們能力的限制，沒辦法有明確的進展，我們必須造一個新的探測器上天。

l 我國暗物質粒子探測衛星

我國的暗物質粒子探測衛星：悟空，英文名字是DAMPE，是尋寶遊戲裡面的關鍵人物，要找到寶貝，必須要找到DAMPE，只有它靈敏，才能把寶貝找出來。我們給它取名DAMPE，希望悟空像DAMPE領著我們找到暗物質粒子。

科學院每五年在天上放幾個衛星研究空間科學的前沿科學問題（即中科院空間先導專項），我們是第一批項目者。

衛星軌道是500公里高，離地球表面500公里，太陽同步軌道降交點地方時為6點30，什麼意思呢？早上6點30進入上空，晚上6點30是回來的時間，每一個地方是固定的。重量是1850公斤，功耗600瓦，每天大概搜集到16GB的數據。是去年發射的。

這個探測器並不是我們紫金山天文台一家單位完成的，由五家單位聯合研製，紫金山天文台、高能物理所、近代物理所、國家空間科學中心和中國科技大學。還包括了國際合作，我們邀請了瑞士的大學和義大利的大學，參加我們暗物質衛星的研究。

探測器由四個部分組成。

塑閃陣列探測器是一米平方的大的塑閃陣列。

硅徑跡探測器是高能物理所和瑞士大學、義大利大學聯合研製的。

BGO量能器是由中國科學技術大學和紫金山天文台研究的。

還有一個中子探測器，是由紫金山天文台研製的。

這四個探測器組織在一起，它是高空間分辨和高能量分辨的高能粒子、伽瑪射線無線望遠鏡。我們一般用的望遠鏡是筒子一樣的，但跟它的波段不一樣，如果光子擴散的波很長，像無線電波段，望遠鏡就不是一個波了，你家的電視天線就是一部望遠鏡。到了高能粒子的望遠鏡，望遠鏡不是一個望遠鏡，是高能粒子探測器，人得到高能粒子的能量方向，作用和望遠鏡一樣，不是我們通常所說的望遠鏡。

整個探測器有75916路子探測器，什麼概念呢？我們國內最大的加速器是北京譜儀，北京譜儀上所有的子探測器加在一起才4萬多，我們這個探測器有7萬多路子探測器。我們這麼複雜的探測器必須把它裝在1米見方的小空間，重量是1噸，有很大的難度。

「悟空」的探測對象是高能電子、伽瑪射線和宇宙射線質子和重核成分等。望遠鏡的測量是有能量範圍的，除了暗物質以外，我們還可以研究宇宙射線起源。人類發現宇宙射線也有100年了，但是它究竟來自於哪種天體，還不清楚。宇宙射線的起源到現在為止，還是一個未解之秘，也是一個前沿科學問題。

我們通過測量高於GeV的高能電子，可以知道它的來源，為什麼？

當地探測到的高能電子一般來自於附近的天體，不可能太遙遠，太遙遠的地方的高能粒子傳播不過來，在地球上看到的是來自於附近，但是GvE以上的高能電子來自於很近的源，發散於附近，很微弱的，這地方有百分之幾的變化。如果你能看到這樣的變化，也就是相當於看到了無盡的宇宙射線源，這也是一個很重要的前沿問題，「悟空」也可以研究伽瑪射線天文，它本身就是伽瑪射線的望遠鏡。

暗物質粒子探測衛星，可以探測電子、伽瑪射線、質子事例，每個事例都有四個物理量，能量、方向、電荷和時間，把它組成12個信號，可以解決所有的科學問題。

探測器的研製是一件比較複雜的事情，上空間的東西經過三個階段。

第一個是方案階段，第二個是初樣階段，第三個是正樣階段。方案階段必須要證明你的方法可行。在初樣階段，證明你研製的探測器能在天上工作，在地球經過嚴酷的環境實驗，證明這個探測器在天上能工作。正樣階段是把探測器重做一遍。

我們的「悟空」暗物質粒子探測衛星是2011年12月立項，電性件是小型的暗物質粒子探測器，在地面證明能正常工作，然後拿到歐洲去標定一下，證明你的方法可行，才能進入初樣階段。

初樣階段，就是要研究和它一樣大的探測器。但是通過這樣的探測器證明你的探測器能在天上嚴酷的環境能生存下來，要做各種各樣的實驗，溫度實驗、力學實驗等等。實驗全部通過了，才可以做一個樣機。

我們的探測器要滿足暗物質探測，提出了很高的指標，動態範圍。什麼叫動態範圍？探測器從最弱的信號到最強的信號要覆蓋得寬，我們的覆蓋寬度是18萬倍，最低的能量到最高的能量之間差距是18萬倍，是世界上動態範圍最大的探測器。

探測器是1.06噸，整個衛星重量1.9噸，暗物質粒子探測器是1.45噸。裡面有616支光電倍增管，616路高壓電纜，1848路信號電纜，4.5萬個高壓焊點，16塊電子學板，92隻接插件，136路熱電，就是測溫度的溫度計，48路也是測溫度的，這個精度高一點。要把這麼多東西裝在一個很小的空間里，是一件很困難的事，用了很多的時間。

分壓板有兩個硬幣這麼大，這麼小的板子沒有什麼高技術，但是我們要把它做好。18萬倍的動態範圍，最主要的就是由分壓板來保的。

我們有兩個教室，定了30個版本，花了一年半時間才把它做好。但是要把它配合到一起，滿足18萬倍，是很困難的事。

我們做了大量的實驗，做了30版，每次追8000個問題，再提高，再改。我們還要委託日本的公司一起做，花了一年多的時間，發現我們的動態範圍比日本人更大一點。

看上去很簡單的一件事，把它送上天要做很嚴格的實驗，保證你的性能達到指標，才能把它送上天，否則你前面的工作全是白費。

接著是電性件研製。需要做一個小的探測器，大部分是中國科技大學的學生完成的，但是老師先把它設計好，學生把它制出來。制出來一個小型的樣機，相當於暗物質粒子探測器的八分之一的大小。2012年7月，我們在南京進行測試。

除了進行工程樣機的製作，還要做一個工作，是什麼呢？如果探測器太重了，1噸多重，中國沒有一個衛星有1噸重，需要我們證明1噸重的東西能夠上天。我們做了結構，用鐵棒模擬它，把所有的外形和上天的面做好。把它放在衛星上，跟衛星一起，保證衛星發射的時候，能夠滿足口徑和震動的條件。

鑒定件是工程樣機，和天上一樣，但是要滿足天上嚴酷的環境。

每一個板子做好以後，不能立即裝上去，經過18.5次的高低溫循環，保證板子的性能不變，才能裝在探測器上。一塊小的電路板要經過16個工序才能做好。幾十個工人幹了一個月。做好了以後，拿回到中國科學技術大學進行安裝測試。測試完了以後，還要跟晶體進行配對測試，把它匹配好。

宇宙線陣列測試也是在中科大。每一個線路板都要經過18.5次的熱循環，從零下25度到零上45度，證明它能碰撞。由於有8000多根電纜，全部在1米見方裡面安排好，否則就亂套了。把它編成一個辮子，怎麼編，都要測試。測試通過了，發現能工作，我們再真正開始干。

2013年12月30日，我們開始做樣，前面的預備工作都準備好了。工人們把它梳理好，編成辮子，把插頭裝上去。測試完了，再把電路板繞上去。

2014年臘月二十八，還有兩天過年，我們才把初樣制好，工人回去過年。從正月初三開始，我們再回來進行測試。總裝以後，所有的機構再測試一遍。雜訊水平達到要求，每層的均勻性達到要求，還有天上的宇宙線的測試。

全部完成了，我們從2月份開始把它運到上海去進行磁測試，因為衛星上有磁的感測器，如果你的探測器有很強的磁場，會影響其他的衛星沒辦法正常工作。就跟手機一樣，你的手機不能影響別人的手機，但是別人的手機打開的時候也不能影響你。我們的探測器發出的無線電信號不能影響別人，別人的無線電信號不能影響我們，這叫電磁兼容。

太陽光照到的時候，衛星的溫度高，太陽照不到的時候，衛星的溫度低，衛星的溫度每天都在變化。為了模擬這個變化，我們的探測器必須拉到一個箱子里，這是一個房間，從上噴液，把溫度降下來，底下通過電爐把溫度升上來，要做13.5次循環，證明你的東西能碰撞，從零下60度到零上60度。

我們還要把探測器拉到真空裡面，這個真空桶大概有三層樓高，模擬在真空的情況下，溫度再變化，你的探測器能不能正常工作，我們總共花了1個月的時候，從3月1日到4月3日把實驗做完。

2014年4月份，我們把指標再測試一遍，證明給專家看，我們的東西能夠通過天上嚴酷的環境正常工作，然後把它交付衛星。

在交付衛星之前，還要做一個實驗，把它組合成一個望遠鏡，要進行測試，你不能影響別人，別人也不能影響你，你要和別人配合工作。

4月20日，我們把它運到上海，裝在衛星上，把實驗再做一遍，到8月份，又花4個月的時間，把實驗重做一遍。把它裝到衛星上，要重做剛才所有的實驗，又花4個月的時間。一直到2014年8月底，我們開始進行正樣階段的研製。

前段時間同學們看新聞，日本人的衛星失敗了，最根本的原因是軟體判斷寫的不是很好。我們的軟體總共有3萬5千行，一行寫錯了，就可能導致衛星失敗。日本人沒考慮太全面，導致了衛星越轉越快，最後把衛星轉散了。軟體也是在天上很重要的一塊。我們做了測試，證明軟體的功能。

因為「悟空」是到天上測量光的粒子，所以能不能測量到，測量的準不準，要做標定。我們國內還沒有高能量發射源或者加速器來滿足我們衛星的條件，我們的衛星必須拉到瑞士去，做束流標準。什麼叫束流標準？加速器把高能粒子引出來，打到探測器上，看探測器能不能正常工作。

我們的「悟空」號衛星經過能量測量，是世界上最高的水平。方向測量和世界上最高的水平相當。電荷測量的水平也是和國際上最高水平相當。在上天之前，我們的指標基本上達到世界領先，或者和世界上最高指標相當。

天上的高能粒子每秒鐘是固定的，你要把暗物質的信號測到，需要更多的時間等。

兩年之內，我們要做全天覆蓋，每個角落都要看到，根據全天的測量結果，我們觀測感興趣的，暗物質多的地方，進行一年的定向掃描，我們計劃在年底把第一批科學結果向全世界公布。

中科院紫金山天文台副台長，研究員，中國暗物質粒子探測衛星首席科學家（資料圖）

本文由前沿、權威、有趣、有料的中科院官方科普微信號科學大院（id：kexuedayuan）提供。未經授權，嚴禁轉載

謝邀， @張醒你怎麼知道我在這個項目組呢……
我就是 @airsmiler 隔壁實驗室的，在這個項目裡面已經4年了，專門從事各種搬磚活動。
補充：探測暗物質能幫科研做些什麼：
暗物質就像當年的以太一樣，只有確定其存在與否，才能夠確定現有的基礎理論是否正確，簡單的說，這玩意就是當代基礎物理的一部分，主要是用來完善理論的。
你要問這東西對生活有什麼影響，答：現在還沒有任何直接影響。但是請注意，145年前，電磁波就像今天的暗物質，科學家麥克斯韋提出了電磁波理論，但並沒有被人類發現，直到1888年電磁波才被赫茲發現。沒有電磁波，就沒有……手機，電報，電視等任何無線傳輸的電子設備，這就是基礎物理對生活的影響。
---------------------------------------我是分割線------------------------------------------
其實樓上的回答已經比較詳細了，我來形象說明一下：
「暗物質」是什麼鬼，其實沒人知道。
這玩意很難通過直接手段探測（所謂直接手段就是通過各種望遠鏡觀測不同頻率的電磁波）
但科學家們堅信「即使是暗物質」也會湮滅和衰變
而且根據現有理論計算，暗物質和暗能量占宇宙總質量的九成以上
所以即使發生湮滅衰變概率很小，也應該能觀測到
不同物質湮滅衰變產生的射線都是不同的，類比指紋
所以只要發現新的射線（伽馬，中微子，其他帶電粒子）
就能證明有新的物質了（諾貝爾獎妥妥的^_^）
當然啦，不一定是暗物質
PS：通過對比功能比較類似的丁肇中先生的AMS就會發現，我們的DAMPE亮點在於量能器的測量範圍和解析度，你猜為啥？因為量能器佔了三分之二的載荷重量~~~~←_←
不過話說回來，DAMPE的科學目標和AMS就不一樣，而且科研費用僅AMS的三十分之一左右……

謝邀。非我專業，剛剛簡單的自我科普了一下，以下。

暗物質不是真的「暗」，暗物質之間發生湮滅的話，會放出高能光子（伽馬射線）、中微子和其他帶電高能粒子（宇宙線）。所以我們可以通過測量這些東西的能譜來判斷暗物質的本質。

看宇宙線可以用地面上的宇宙線陣列，羊八井有倆，高能所和義大利及日本合作搞的。
看中微子可以用諸如南極冰立方（ICE-Cube）這種東西。
看高能光子可以通過看高能光子打入大氣的切侖科夫效應，例如南非的HESS望遠鏡，也可以發個衛星上天，例如Fermi衛星。

如果暗物質如我們期待的湮滅的話，我們應該會在高能光子能譜上看到一個峰。
好消息是，我們確實看到了這樣的峰。
壞消息是，脈衝星也可以解釋這種峰。
而且不同的儀器給出的結果並不一致：丁肇中搞的AMS02和Fermi衛星的結果就不一致。

然後DAMPE本質上就是一個看高能伽馬光子和宇宙線的東西，性能上比現有設備有一定的優勢：

它的能量解析度好於Fermi，能探測的能量範圍也比較寬，看起來具有一定的優勢。

實際上有多大用這外行真心看不出來。
編不下去了。求摺疊。

就是探測WIMP湮滅或衰變後的末態粒子。
假如是Majorana粒子，一般湮滅後的產物，particle和antiparticle是同等數量的。且高能天文背景（超新星，脈衝星，microquasar等）的輻射在反粒子段較少。所以對於antiparticle的探測尤其是在能譜上發現一個非常劇烈的下滑將是WIMP發現的一個信號。
針對紫台這個具體的衛星DAMPE，似乎只能探測電子和光子，優勢在於能量比Fermi更高達到10TeV且解析度和角解析度也更高。不過由於不能探測反粒子，謹慎看好……很有可能物理目標像高能天文轉移。

佔了這麼久的坑，咱來填一填(?￣ ? ￣?)

我就是 @airsmiler 樓下實驗室的，和馬班長@馬思源同一項目組，沒想到這個問題炸出這麼多小夥伴……

利益相關：身處衛星項目中，為了避免不小心寫了某些不該寫的東東(其實是懶？)，本文通篇摘抄於網上現有資料 (其中大段大段摘抄咱們首席科學家常進研究員的文章：空間探測暗物質簡介)，純科普，完全沒有任何乾貨。

最早提出證據並推斷暗物質存在的是20世紀30年代荷蘭科學家Jan Oort與美國加州理工學院的瑞士天文學家弗里茲·扎維奇等人。
1932年，美國加州工學院的瑞士天文學家弗里茲·扎維奇最早提出證據並推斷暗物質的存在。弗里茲·扎維奇觀測螺旋星系旋轉速度時，發現星系外側的旋轉速度較牛頓重力預期的快，故推測必有數量龐大的質能拉住星系外側組成，以使其不致因過大的離心力而脫離星系。
弗里茲·扎維奇發現，大型星系團中的星系具有極高的運動速度，除非星系團的質量是根據其中恆星數量計算所得到的值的100倍以上，否則星系團根本無法束縛住這些星系。

圖1.星系旋轉速度曲線

暗物質（dark matter）剛被提出來時僅僅是理論的產物，之後幾十年的觀測分析證實了這一點。儘管對暗物質的性質仍然一無所知，但是到了80年代，占宇宙能量密度大約20%的暗物質已被廣為接受了。
在眾多可能是組成暗物質的成分中，最熱門的要屬一種被稱為大質量弱相互作用粒子(英文叫做Weakly Interacting Massive Particle，簡稱WIMP)的新粒子。這種粒子與普通物質的作用非常微弱，以致於他們雖然存在於我們周圍，卻從來沒有被探測到過。
（摘自百度百科。。。）

暗物質粒子探測的幾種主要方法 @袁本初童鞋已經介紹的很清楚了。

暗物質粒子探測衛星屬於間接探測，通過探測暗物質粒子衰變/湮滅後的「可見」物質，以此反推，去尋找暗物質粒子存在的證據。

暗物質衰變/湮滅後的主要產物是高能正負電子和gamma光子(GeV~TeV)，所以間接探測的探測目標是高能電子和gamma。
由於低能宇宙線(小於100 TeV)在大氣中產生的簇射無法到達高海拔的地面，所以地面探測只能探測能量大於100 TeV的高能宇宙線。要探測GeV~TeV能區的宇宙線就需要大氣層外進行空間探測。
目前這類空間探測實驗最好的結果是由丁肇中先生領導的AMS02小組，他們給出的正電子能譜（圖2），當能量&>10GeV時正電子通量反常上升，與理論預期不符，代表了空間中有未知的正電子源(可能是暗物質衰變/湮滅產生)。

圖2. 正負電子比例譜

另外，伽馬射線線譜信號也是一個非常重要的暗物質信號。天體物理過程無法產生伽馬射線線譜信號，但是如果暗物質能夠湮滅(衰變)產生兩個光子，光子的能量等於暗物質的靜止質量(靜止質量的一半)，這表現在伽馬射線能譜上就為線譜信號。Bringman和Weniger在Fermi-LAT 數據中發現了一個約130 GeV的可能的伽馬射線線譜信號，不過到現在為止，這個信號的置信度仍然不高。

暗物質粒子探測衛星(DAMPE)是我國第一顆空間高能粒子探測器，它是以我國為主，瑞士和義大利參與共同研發的。暗物質粒子探測衛星主要探測電子宇宙射線、高能伽馬射線和高達PeV的核素宇宙射線。它具有能量解析度高,測量能量範圍大和本底抑制能力強等三大優點。其設計

指標見表1

暗物質粒子探測衛星的這些性能優勢和它的結構設計是緊密相關的，其結構布局見圖4。從圖中我們可以看到，暗物質粒子探測衛星的探測器共有四部分組成，分別是：塑閃陣列探測器，硅陣列探測器，BGO量能器和中子探測器。

圖3. 暗物質粒子探測衛星結構

塑閃陣列探測器的主要功能是測量入射宇宙線的電荷以區分不同核素，也有助於區分高能電子和伽馬射線。塑閃陣列探測器主要由蘭州的中國科學院近代物理研究所負責研製。

硅陣列探測器的主要功能是測量入射宇宙線粒子的方向和電荷。硅陣列探測器是由中國科學院高能物理研究所、日內瓦大學、佩魯賈大學等單位共同研製的。

BGO量能器是探測器最核心的組成部分, 其功能是測量宇宙線粒子尤其是電子和伽馬射線的能量。BGO 量能器主要由中國科學技術大學和中國科學院紫金山天文台負責研製。

對於量能器而言，做得越厚，能量解析度就會越高，能量探測範圍也就越大。暗物質粒子探測衛星的探測器厚度目前來說是最厚的。

中子探測器測量主要用於進一步進行質子電子鑒別，以排除空間大量的質子本底信號。中子探測器主要由中國科學院紫金山天文台負責研製。

綜上，暗物質粒子探測衛星主要是測量宇宙線粒子的能量，電荷，入射方向等基本信息，以探測GeV~TeV的宇宙射線為科學目標，預期於年底發射，是我國第一顆空間科學衛星，預期在軌工作三年。

嘛，這麼科普是不是就不這麼神秘高大上了呢？實驗室師妹已經表示完全不明白為啥這麼多人對這個感興趣……

暗物質的證據的尋找目前大概四個思路——

天文觀測，最早暗物質概念的提出就是因為可見物質的分布無法解釋星系的旋轉速度分布，06年的ChandraX望遠鏡對星系碰撞的觀察發現的實際質量分布與可見物質分布的偏離也給了一個比較強的暗物質存在證據；但此類尋找太過間接，無法徹底排除大尺度引力修改的效應即最終認定暗物質的存在性，也無法對暗物質除引力效應外的性質進行研究。
湮滅產物的尋找，這類衛星實驗很多，如FermiLAT、Pamela、AMS還有這個新聞裡面我國這個即將升空的DAMPE，方法是對宇宙線進行測量並尋找其中反常的分布——比如光子數的超出形成一峰，或者異常的正反粒子比例；這個仍然是間接尋找，而對發現的反常現象往往有多種可能的解釋，比如脈衝星也可以解釋AMS02實驗。
對撞機尋找，暗物質在對撞機上表現為丟失的橫動量，因為它與探測器的相互作用非常弱甚至可能沒有，扣除中微子背景後如果仍然有明顯的丟失橫動量，就很可能是暗物質侯選者；這裡比較容易混淆的是一些與探測器作用很弱且壽命較長足以穿出探測器的粒子，它們的壽命雖然足以穿出探測器但可能仍然不足以保持今天的殘留密度。
直接捕獲暗物質粒子，這類實驗往往要在地下很深處以屏蔽宇宙線背景，這類實驗世界上也有許多比如LUX、DAMA、CDMS還有PandaX等等，原理可以是利用暗物質粒子與探測器直接散射的熱效應或閃爍，當然這裡必須假設暗物質粒子能夠與重子物質發生散射，如果暗物質粒子存在但完全與重子物質脫耦，類似實驗就無能為力。

這其中前兩類屬於間接尋找，而後兩類是直接尋找。

這個新聞里的暗物質粒子探測（DAMPE）衛星我覺得名字取得不太恰當，有點高調了，從原理上它屬於上一段所說的第二類，尋找暗物質的湮滅產物的證據，從而間接給出關於暗物質的證據。衛星實驗也只能用這個原理進行，因為太空中不可能屏蔽宇宙線背景，所以把宇宙線作為研究對象也是順勢而為。嚴格的暗物質粒子探測應該指上面的第四種，不過既然這個衛星發射的目標是尋找暗物質，取這麼個名字也不能說是錯的。

暗物質有很多候選者，WIMP，超對稱粒子，中微子等等。
很多人贊同是WIMP，因為我們想觀測到暗物質粒子，它必須和我們的普通物質相互作用吧，引力有了，強核力byebye，電磁的話人家暗物質要是和光子有過耦合，咱不就早看到它們了。於是只剩下弱力。

和普通物質相互作用，探測產生的粒子。這麼探測可以給出暗物質粒子的一些質量約束。至於相互作用的細節我也不清楚啦

能回答這些問題的都是大神級別的人呀，羨慕！

新聞頻道 - 上帝之眼

最近發現的太陽系整個被球形磁場包裹，抵擋宇宙射線。地球實際是被雙重磁場保護，如果整個銀河系也有類似磁場，那就是3重磁場保護。這個磁場估計跟暗物質有關。這個暗物質一直沒有觀測到，搞不好暗物質就是一種力，或者存在於恆星或者黑洞內部，以及行星內部。畢竟我們對星體內部一無所知。如果它是一種存在宇宙中的粒子我們早就應該發現了。我認為暗物質這種東西應該存在於我們沒有探索過的星體內部，不存在於空間里。