如何解讀 11 月 30 日紫金山天文台公布的暗物質粒子探測衛星「悟空」重大成果？發現暗物質粒子了嗎？

11-30

《自然》雜誌 11 月 29 日發表我國暗物質粒子衛星「悟空」的首個科學成果，宣布獲得了世界上最精確的高能電子宇宙線能譜。
Direct detection of a break in the teraelectronvolt cosmic-ray spectrum of electrons and positrons
為什麼媒體的新聞報道里都說是暗物質呢？我們發現暗物質了嗎？論文中的成果該如何正確解讀？

作者：袁強（中國科學院紫金山天文台）

是呀是呀，剛剛發的文，宣布「悟空」獲得了世界上最精確的高能電子宇宙線能譜。

「悟空」至今已穩定在軌運行接近2年，全天掃描了4次，獲取了35億高能宇宙射線事例。

由於其獨創性的設計，「悟空」號衛星的花費比國際同類儀器少數倍到數十倍，但是卻在電子/伽馬的能量測量精度和質子-電子鑒別能力等指標上達到了國際最高水平，從而也成為國際上探測暗物質的利器。

「悟空」號衛星今日發布的第一個重大科學成果，就是給出了高能宇宙射線電子能譜最為精確的測量結果。

等等，似乎有哪兒不太對。

說好的暗物質粒子探測衛星呢？第一次發布的重大成果怎麼是「獲得了高能電子宇宙線能譜」？

我們都知道，暗物質的探測有三種方法，「上天入地對撞」。「悟空」採用的就是「上天」的方法，這種方法指的是發射空間高能粒子探測器，探測暗物質湮滅或衰變的產物粒子，例如正負電子、正反質子、伽馬光子等。因為這些粒子無法穿過地球大氣層，所以需要「上天」。

這種方法的基本思路很簡單，雖然我們「看不到」暗物質粒子，但暗物質粒子在與暗物質粒子碰撞後，會產生我們能夠「看到」的粒子，例如伽馬射線、電子和正電子、質子和反質子、中微子等。通過探測「看的到」的，來探測「看不到」的。

而且，暗物質粒子湮滅過程中產生的高能電子，反映在能譜上，會是一些奇特的特徵信號。根據常規的天體物理過程，電子能譜是平滑變化的，而暗物質湮滅產生的電子譜則會在其對應的質量處呈現出一個截斷，或者甚至有可能產生單一能量的電子，這樣在電子能譜上可能會看到快速截斷或者單能線譜一類的特徵。

如果我們的衛星探測精度足夠高，是有可能揭示這些特殊結構的。這也是暗物質粒子探測衛星發布的第一個成果是獲得高能電子宇宙線能譜的原因。

沒毛病！

說回這次的結果。這一結果反映出了電子宇宙射線能譜的兩個有趣特徵：

1) 電子能譜在大約1 TeV（萬億電子伏特，相當於可見光能量的一萬億倍）能量處呈現出一個拐折；

2）在能量約1.4 TeV處發現一個尖峰狀結構。

得益於「悟空」號的高能量解析度和低本底混入率，它的精確測量結果可以顯著地改善我們對電子宇宙射線模型的認識。

1）第一個能譜拐折，在之前的實驗HESS中，曾觀測到類似跡象，但由於誤差很大，不能明確下結論。而空間實驗Fermi-LAT的結果卻表面沒有拐折。「悟空」號的結果清晰無誤地測量出了這個拐折。

這個拐折說明銀河系中電子宇宙射線源的分布特徵出現了明顯變化。

因為電子在宇宙空間中傳播的時候會通過同步輻射等過程損失能量，越是高能量的電子損失能量的速率越快。這意味著越是高能的電子，傳播的範圍越小。

例如，對於1 TeV能量的電子，基本上只能傳播3000光年的距離，而10 GeV的電子則可以傳遍整個銀河系。由於高能電子的傳播範圍小，在這個範圍內，源的數目也很稀少，因此我們在地球附近觀測到的高能電子很可能只是來自於個別源。而低能電子情況有所不同，那是大量源的平均效應。

打個比方，就好像我們燉了一鍋骨頭豆子湯，如果把骨頭切成和豆子一般大小，那我們隨便盛一勺湯裡面總會是豆子骨頭都有。但往往骨頭要大塊很多，數量也不可能像豆子那麼多，這個時候盛一勺可能有骨頭也可能就沒有骨頭。

2）第二個特徵則是「悟空」號率先觀測到的，之前的所有實驗中都沒有看到類似現象。可以說，1.4 TeV處的結構則是所有人都沒有預期到的新現象！

這意味著可能在宇宙空間中存在質量約1.4 TeV的新粒子，或許就是人們長期以來苦苦搜尋的暗物質粒子。

「悟空」號對宇宙射線電子能譜的測量結果（紅點），以及與之前別的實驗觀測結果的對比（來自Nature, 2017）

另一種可能性是宇宙中存在某類獨特的粒子加速器可以將電子加速到單一能量。要知道，此前只有在實驗室中通過精細調節實驗裝置，我們才能夠獲得單能粒子束。我們猜測，脈衝星可能可以扮演這個角色。

脈衝星是恆星死亡後留下的一種遺迹，是一種極端緻密、強磁場、快速轉動的天體。脈衝星非常穩定的轉動形成的感應電場或許可以加速出單一能量的高能電子。

無論是哪種情況，這都將是粒子物理或天體物理領域的開創性發現！

雖然「悟空」號的首秀就發現了超出人們預期的新現象。不過，由於高能量粒子數量稀少，現在還不能完全排除是統計波動的影響。「悟空」號的當務之急是繼續收集數據，提高統計量，以確切地驗證該新結構的真實性。可以預計，再經過一到兩年的時間，「悟空」號的數據將對1.4 TeV這個結構的真實性給出明確的結論。

這裡需要補充一點，很多人關心「悟空」號未來還要在軌運行多久、能收集到多少粒子。目前，「悟空」的工作狀態十分穩定，每天平均收集500萬個粒子，預計還將服役3年，理想狀況下，我們將還能收集到50億個粒子，屆時我們將對許多問題給出清晰的說明。

另一方面，「悟空」號的結果也給別的實驗提供了一個潛在的目標，給出了參考指標。

例如，未來的對撞機實驗可以有針對性地對這個能量段進行設計；地下實驗也可以試圖提高對更重的暗物質粒子探測的靈敏度；別的空間實驗可以驗證「悟空」號的結果或者進行伽馬射線等觀測輔助檢驗該結果的物理起源（暗物質模型和天體物理模型會預期不同的伽馬射線信號）。

說完這些以後，隔壁班的小花同學依然特別任性得問，「開創性什麼的我不管我不管！所以暗物質被發現了嗎？」

很遺憾，目前還不能說暗物質被發現了。但「悟空」正在用它的火眼金睛，洞察宇宙的奧秘。

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出品：科學大院

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?圖1：暗物質粒子探測衛星「悟空」（DAMPE）

撰文 | 呂浩然

責編 | 陳曉雪

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人們對於「悟空」最大的期待，就是借著它的「火眼金睛」捕捉到暗物質的蹤影。用暗物質衛星首席科學家、紫金山天文台副台長常進研究員的話講，「我們想通過『悟空』的火眼金睛，找到暗物質這個『妖魔鬼怪』」，目標通俗而直白。

「悟空」是中國的暗物質粒子探測衛星DAMPE（dark matter particle explorer）的名稱，2015年12月17日發射升空。近兩年的時間過去了，它究竟捉到暗物質這個「妖魔鬼怪」了么？11月27日上午，中國科學院發布了「悟空」捕捉暗物質530天的成果。

530天的「捉妖」記錄

天文學家認為，宇宙中只有4%的物質是我們可以看到的，但絕大部分是由看不見的神秘東西構成的，他們稱其中的23%為暗物質，73%甚至以上的部分為暗能量。根據目前理論物理學家的解釋，如果暗物質粒子相互碰撞並湮滅，將轉換為高能電子。

據常進介紹，「悟空」號運行期間，每秒將會捕捉、探測到60個高能粒子，平均每天就有500萬個高能粒子被「悟空」捕獲。而「悟空」能夠觀測的是能量區間為GeV-10TeV的電子和伽馬射線，如此大的能量區間跨度要求單個探測器的動態範圍達100萬倍，否則將無法鑒別粒子。

?圖2：百萬級的能量區間跨度成為粒子鑒別的一大挑戰

在軌運行的前530天里，「悟空」衛星共採集了約28億顆高能宇宙射線，其中包含約150萬顆25GeV以上的電子宇宙射線。基於這些數據，科研人員成功獲取了目前國際上精度最高的電子宇宙射線測量結果（圖3）。北京時間2017年11月30日，Nature雜誌在線發表了這一結果[1]。

?圖3：「悟空」在軌運行530天後得到的高精度宇宙射線電子能譜（紅色數據點），以及和美國費米衛星Fermi-LAT測量結果（藍點）、丁肇中先生領導的阿爾法磁譜儀AMS-02的測量結果（綠點）的比較。

從「悟空」已經獲得的數據中不難發現，「悟空」探測的電子宇宙射線的能量測量範圍比起國外的空間探測設備有了顯著地提高，「悟空」也是世界上首個在空間觀測TeV以上波段的探測衛星，拓展了我們觀察宇宙的窗口。

此外，值得注意的是：「悟空」首次直接測量到了電子宇宙射線能譜在接近1TeV處的「拐折」，該拐折也反映了宇宙中高能電子輻射源的典型加速能力，其精確的下降行為或對於判定部分（能量低於1TeV）電子宇宙射線是否來自於暗物質起到關鍵性作用。

本領高強的「悟空」

「『悟空號』憑藉中國科學家特有的設計方案和中國工程師獨特的探測器製造技術，實現了國際上最精確和最高效的探測，經過一年多的數據積累，終於有了重大發現。」中國科學院院長白春禮在27日的新聞發布會上介紹說。

目前，天空中共有四顆暗物質探測衛星，分別是阿爾法磁譜儀AMS-02（the Alpha Magnetic Spectrometer）、美國費米衛星Fermi-LAT（the Large Area Telescope on the Fermi Gamma-Ray Satellite）、日本的CALET衛星（CALorimetric Electron Telescope）以及中國的「悟空」。

「悟空」有哪些本領？

「悟空」採用了中國科學院紫金山天文台研究人員自主提出的分辨粒子種類的新探測技術方法，實現了對高能（5 GeV - 10 TeV）電子、伽馬射線的「經濟適用型」觀測；測量到的TeV級電子的「純凈」程度最高（也就是其中混入的質子數量最少），能譜的準確性高；測量的能量區間也非常寬（GeV - 10TeV），這也是正在運行的空間高能宇宙線探測器中最寬的；位置分辨優於60微米、本底較已有探測器降低5倍。

「悟空」之所以被寄予厚望，主要是因為相較於已有的三顆衛星（探測器），它的本領更「高強」。之所以稱其本領高強，是因為「悟空」在「高能電子、伽馬射線的能量測量準確度」以及「區分不同種類粒子的本領」這兩項關鍵技術指標方面都處於世界領先地位，尤其適合尋找暗物質粒子湮滅過程產生的一些非常尖銳的能譜（電子數目隨能量的變化情況）信號。

據常進介紹，有別於地下直接探測和粒子加速器，空間探測暗物質屬於間接探測，即通過探測暗物質粒子湮滅後產生的普通粒子來探測看不見的暗物質粒子。這一方面是因為暗物質粒子的性質與現有標準模型中的所有基本粒子均不相符；另一方面，暗物質粒子產生的信號及其微弱。

「因此，暗物質的空間探測需要的是高能量分辨、高空間分辨、高統計量、低本底（即雜訊）的高能宇宙線望遠鏡。」常進表示。為了達到上述目標，研究團隊自2011年12月立項之後即刻啟動自主研發，歷經四年時間，終將「悟空」送上天空。

1.4TeV處的「峰」是發現暗物質的證據？

針對此次「悟空」所獲得的數據，研究人員將其與另外兩個衛星獲得的數據進行了對比發現，「悟空」在低能段獲取的數據與已有實驗數據較為吻合，在精度上也有了很大的提高。

但是在1TeV以上的能量（電子）區間卻快速減少，且出現了能量拐折的現象；此外，在1.4TeV處，電子能譜出現了非常尖銳的「峰」。這些結果均系首次觀測到，令人驚嘆——「悟空」也是首個能夠探測1TeV以上能量區間的衛星。

?圖4:1.4TeV（黃色標記處）出現的「峰」將會成為暗物質粒子存在的證據么？

那麼，1.4TeV處的尖銳能譜會是證明暗物質存在的新證據么？中國科學院大學常務副校長、中國科學院院士吳岳良表示，從產生機制上來看，能夠產生高能電子的有兩種：連續源和短爆源。但從理論上來看，除非有新的機制，否則尖銳能譜的天體物理解釋並不是合適的選項。而目前「悟空」的任務是持續、穩定地運行，並盡可多的收集數據，使能譜更加「精準」。

常進也表示，1.4TeV處的尖銳能譜究竟是統計漲落還是確實存在的拐點，首先需要「悟空」持續地進行探測。除卻電子能譜，還有其它的探測方式和方法去排除一些產生此種現象的可能性。「但無論如何，『悟空』確實給我們提供了一些新的物理現象，這能否作為暗物質存在的證據，或者藉此產生新物理，仍有待進一步的研究，」常進說。

→ 針對此次的研究成果，《知識分子》邀請到了中國PandaX暗物質探測實驗組負責人、上海交通大學鴻文講席教授季向東進行評論：

很高興看到DAMPE合作組正式發表的第一個宇宙線電子（也包括正電子）能譜。這個結果來之不易，說明探測器等各方面皆運行良好，這對衛星實驗來講並不是那麼容易的。除了一絲不苟的前期工作，也需要一定的運氣。數據沒有急於發表，而是經過一段時間的反覆推敲驗證，所以可靠性很高。我也對合作組取得該成果表示熱烈祝賀。

這次發表的結果主要是電子能譜在TeV（萬億電子伏特）附近的高精度測量，並發現在這個能量附近電子的通量急劇下降。這種現象雖然在早先地面HESS實驗間接探測中也有暗示，但那個實驗的精度遠遠不夠。

這個急劇變化是個重要結果，肯定存在著有趣的物理與天文學的根源。一種可能的解釋是質量為TeV大小的暗物質粒子在銀河系中心湮滅所產生的信號，但也可能是由於某種天文學原因，比如超新星爆炸的遺迹，這類實驗的本身很難來判斷其真正的來源。

上海交大主導的「熊貓計劃」（PandaX）合作組是在四川錦屏地下實驗室直接探測太陽系附近的暗物質粒子，所用的探測方法不同。DAMPE的結果對我們的實驗是個非常鼓舞人心的好消息：如果電子通量的急劇變化是由暗物質引起的，PandaX探測器在精度足夠高的時候就一定能看到。

巧合的是，這個月初，我們在《物理學評論快報》發表了世界最靈敏的探測結果（PRL119,181302（2017））,可惜仍未看到暗物質的跡象。我們需要迅速提高探測的體量和靈敏度，爭取能儘快驗證DAMPE結果及其背後蘊藏的、可能的暗物質解釋，實現中國「天上地下」暗物質探測實驗的緊密配合，全力推進。

另外，DAMPE結果的另一個非常引人注目的地方是電子譜在能量為1.4TeV的附近出現了一個疑似的「峰」，證實這個「峰」需要更多的統計量。同時，這樣的「峰」在天文學上是很不容易解釋的，由暗物質湮滅引起的可能性非常大。這種結果也許更為激動人心，我們也希望儘快能看到更多的數據！

參考文獻：

[1] Direct detection of a break in the teraelectronvolt cosmic-ray spectrum of electrons and positrons, DAMPE Collaboration, Nature, DOI:10.1038/nature2447

主要發現是電子能譜中0.9 TeV處的斜率變化和1.4 TeV處的一個峰值。

前者倒是有很多天文源比如脈衝星能解釋。後者要是進一步被確認，是一個爆炸消息。因為除了暗物質湮滅外很難解釋如此尖銳的下降。暗物質可以順便用inverse Compton散射來解釋0.9 TeV處的的變化。當然現在說太早，很大可能是漲落。而且Fermi在那個能區似乎也沒結果。

1.4 TeV的WIMP，應該很容易在直接探測XENON 1T和PandaX-II上尋找證據。最近的限制應該是arXiv:1708.06917這篇。

Nature 原文地址: https://www.nature.com/articles/nature24475

不能說發現暗物質，準確的說法是：發現了一個能量在1.4TeV的電子尖銳超出，和0.9 TeV附近的一個非顯著超出。

只是這1.4TeV這個尖銳超出在理論上很難通過天文的源頭解釋，但如果假設是暗物質的解釋就會非常自然, 0.9TeV的超出也可以從inverse compton散射上得到合理的解釋。最近幾年人們對WIMP 暗物質已經有些持悲觀態度，那麼悟空的結果是不是讓WIMP又喘口氣？

現在的問題是，如果是暗物質，那為什麼在直接探測和對撞機上沒有看到？我們距離真正「觀察」到暗物質還有多遠還不好說，但肯定是向著正確的方向前進了一步。

評論區反饋：相應地改正了正文
@熊卡比：DAMPE不能測正電子（只測電子、光子、質子），和AMS-02的結果有顯著區別。

暗物質模型中，暗物質也是由粒子組成的，暗物質粒子本身不可探測（主要指電磁探測），但是假設暗物質粒子的相互作用可能輻射一些可探測的粒子，比如電子。這樣，因為暗物質粒子有一個比較狹窄的能量分布，它產生電子就會對電子能量某一段的分布造成影響。

所以，了解電子能量分布就很重要。一個很重要的點子就是測量大氣層外宇宙射線中電子，就是用太空探測器來做。高能物理已經有一些宇宙射線探測器了，比如阿爾法磁譜儀（AMS），是丁肇中主持的，那個探測器比較有名的結果是測量了正負電子比例的反常，當時認為它間接證明了暗物質存在。

在測量電子這方面，悟空號似乎是比AMS更精確，而且可探測能量高，首次可探測TeV（能量單位）以上的區域。
因為在人造射線方面（對撞機），TeV以下的電子能量譜已經測量地比較精確了，沒有看到暗物質輻射電子的跡象，所以暗物質粒子更可能處在能量大於TeV的區域，這樣悟空號結果就有很大意義。

悟空號這個成果直接測量了電子的數量隨能量的變化。比較特別的是電子分布在1.4TeV看見一個反常信號，如果有暗物質理論可以預言這個反常信號，而且統計學顯著性夠高的話，就可以說是「直接證明」暗物質了。

不過這個統計量看起來不多。

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並沒有直接發現啊…還是在旁敲側擊的

真的贏了alpha和fermi，悟空：你大爺還是你大爺，在哪都是你大爺。