墨子沙龍第三期：《空間探測暗物質粒子》

07-10

十九世紀的物理學有兩朵烏雲，「以太」與「黑體譜」，最終被相對論和量子力學解決，導致了我們的生活發生了翻天覆地的變化。現在也有兩朵烏雲，暗物質與暗能量，究竟會導致什麼呢？愛因斯坦講過這樣一句戶，宇宙中最不可理解的事，是宇宙居然是可以理解的（The most incomprehensible thing about the world is that it is comprehensible），但是目前宇宙仍然是不可理解的。 ——常進

《空間探測暗物質粒子》

今天很榮幸有機會和大家討論如何在空間探測暗物質粒子。

我研究了一下墨子，墨子也是一個天文學家。他提出的宇宙觀和我們近代的天文學家比較一致。他認為宇宙是一個連續的整體，我們以為星星、月亮都是分離的，單獨的個體，但實際宇宙是一個連續的整體，個體或局部都是宇宙這個統一整體的組成部分。

墨子把時間定義為「久」，空間定義為「宇」，現代宇宙的構成中，最新的宇宙觀叫宇宙網，宇宙由網狀的結構組成的，每一個網都是由暗物質構成的，網內交接的地方節點就是星系和星系團。這些節點是大質量的物質，每一個星系團之間都有暗物質把它們連在一起，所以實際上宇宙連續的，和墨子兩千多年前提出的概念基本是吻合的，他是一個偉大的天文學家。我來自於中國科大，科大的錢臨照校長有一篇文章：《古代中國物理學成就》，裡面提到墨子第一次提出了針孔成像的原理，用六十個字就把光是由直線傳播這個簡單的原理說的清清楚楚。

宇宙網

回到正題，什麼叫暗物質。如果用天文的方式做人口普查，就是晚上用衛星觀測，在黑漆漆的天空下，哪個地方亮，就有人住，越亮的地方人住的越多。比如日本、中國、歐洲、美國，基本是吻合的。但我們將目光投向南朝鮮和中國丹東，發現那裡黑漆漆的一片，沒有人居住。但是我們白天去丹東口岸的時候，可以看到每天向朝鮮運送大量的糧食、物資，這些肯定不是給鬼用的，說明那裡生活著大量的人。實際上這裡是存在著人類，但是晚上我們觀測不到，只有白天才看的到。

如圖所示：朝鮮和韓國的夜晚形成鮮明對比，但是朝鮮並非沒有人居住

天文學家是如何「發現」有暗物質的存在的呢？最早是源於天文學家測量星系團質量。如何測量一個星系團或者一個星系的質量？方法很簡單，就是萬有引力定律測量天體旋轉的速度來計算。人造衛星繞地球旋轉，離地球越近，速度越快，距離越遠，速度越慢。如果離地球越遠的衛星，速度沒有降低，那麼衛星肯定會飛出地球。根據（衛星的）速度和萬有引力定律，人們可以計算出它的質量。

但這個理論不適用於整個宇宙。第一個發現這個奇怪現象的是瑞士的天文學家Fritz Zwicky。1937年，他觀測星系團中，星系繞星系團中心旋轉，發現星系速度沒有降低，大星系團中的星系速度太大，以致無法通過引力將它們束縛住，除非星系團中存在大量看不見的物質（100倍以上）。這是暗物質最初被提出的概念，但由於當時的測量精度、系統誤差都很大，無法做出肯定的結論。雖然Fritz Zwicky是一個知名的天文學家，但當時大家對這個概念還是一笑置之的。

隨著技術的進步，到了上世紀六十年代，一位女天文學家V Rubin用當時世界上精度最高的光譜儀觀測星系中恆星繞星系中心旋轉速度與距離的關係時，發現遠離星系中心的恆星速度沒有下降，星系中必須存在大量的看不見的「暗物質」，否則這些恆星不能被這個星系束縛住。2000年，人們採用世界最先進望遠鏡觀測M33星系中恆星速度與距離的關係，可以發現，距離越遠，恆星等的速度沒有降低，反而上升，恆星用極高的速度運動也沒有被星系拋開，人們認為這說明其中必定存在大量的看不見的物質。這張圖的出現使得暗物質的存在得到了大家的認可。

回到剛才的女科學家V Rubin，她50年代的工作是研究星系是成群還是隨機分布的。我們現在知道星系是成團分布，不是隨機分布的，她五十年代提出的結論沒有得到任何的認可，所以她的博士論文十五年內都沒有發表。幸好她的導師是一個有名的天文學家，給了她一份博士後的工作，繼續支持她。六十年代，她才開始通過星系成群分布、星系裡的恆星也成群分布來研究螺旋星系的結構和變化。她觀測到的暗物質的概念基本得到了全世界的認可，後面也有許多人的研究結論給予證明。這證實了，如果科學家做一項工作，因為中途他人的不認可就半途而廢，是不可能成功的。其實一個丹麥的天文學家Jan Oort 比V Rupin早很多年發現了銀河系的恆星速度並沒有下降，他也發表了文章，但他認為是因為觀測的誤差太大所以沒有觀測到速度的下降，這裡面也有一些運氣、機遇和對物理本質的認知問題。

再回到太陽系，太陽系與銀河系中心大概是8kp4的距離，26100光年，按照銀河系裡的物質（可見的發光物質）分布，太陽系的速度應該是每秒160公里，但最新的觀測結果發現，太陽系的觀測速度是每秒240公里，超過理論曲線50%左右，這也意味著，上海交通大學，清華大學，在錦屏山做的尋找暗物質的工作是可能成功的。這張圖是去年發表的銀河系裡面的物質分布，比剛才多的多，成千，大概這個圖裡面15000個天體，這是距離，這是銀河系裡面的距離，這是速度，我們可以看到，（速度）沒有依照萬有引力曲線下降，如果我們將圖放大，在這條曲線上，可以看到總體上，絕大多數（天體速度）都比理論預計的要高的多。

從這張圖上可以發現銀河系裡也存在大量的暗物質，太陽系附近也是，目前的理論預計太陽系裡的物質密度是每立方厘米0.4個質子，0.4gev，這個數字不是很大，說明暗物質在太陽系的密度很低，在地球上可能也就只有幾十公斤的暗物質。但由於宇宙空間遼闊，即使是這麼低的密度，暗物質在整個宇宙中的質量還是相當可觀的。

（證明暗物質存在的）另外的證據是錢德勒X-射線望遠鏡，它碰巧觀察到兩個星系合併，合併完成後，物質向周圍擴散。目前天文學測量星系的質量分布一般使用引力透鏡，通過測量光線在引力場上的彎曲來測量它的物質分布。利用引力透鏡測量的物質分布是這樣的，而錢德勒望遠鏡觀測到的發光物質的分布是這樣的。這個星系發光物質的中心和真正的質量中心並不吻合，這個現象只能用暗物質（的存在）解釋。按照旋轉曲線，速度隨距離的平方成反比下降，雖然在宇宙學尺度萬有引力定律可能不成立，但人們可以對R進行修改使其成立。但是這個測量結果是無法通過修改萬有引力定律來解釋的，只能用暗物質。比如許多人同時過馬路，任何人之間發生碰撞是肯定走不快的，但是如果人和鬼同時過馬路，鬼不會和人發生人和碰撞，不會降低人前進的速度。暗物質就可能是這樣的「鬼」，物質和物質碰撞的時候會有碰撞、摩擦，降低速度，但暗物質不和物質發生碰撞，速度高於一般物質率先向四周運動，使得物質的中心和引力中心不重合，導致了這樣的觀測結果。根據目前所有的觀測結果，暗物質不發光，只有引力，沒有強相互作用、電磁相互作用，是否有弱相互作用沒有確定，這樣的性質導致沒有任何物質做成的容器可以收納暗物質，如果你的手上有一團暗物質，它一定會從你手上漏走。

微波背景輻射（也可以證明暗物質的存在），科學家觀測宇宙大爆炸後宇宙空間內的溫度分布，發現溫度分布是不均勻的，有百萬分之幾的溫度上漲了，這些基本都是暗物質。根據目前所有的研究結果，目前的宇宙組成是這樣的：68%是暗能量，27%的暗物質和5%的普通物質，就是我們已知的物質，我們對宇宙的了解只有5%，其他的95%我們還不清楚。暗物質的基本性質是不發光，卻有引力，長壽命、質量大、作用弱，是可見物質的5倍多，但是現有標準模型中的61個基本粒子與暗物質粒子性質均不吻合，所以探測暗物質，弄清其物理性質肯定會導致物理學的革命。

如何探測暗物質粒子，大概有三種方法，一種是在加速器上，通過高能粒子碰撞，模擬宇宙大爆炸，產生暗物質粒子，來探測他，還有一種就是錦屏地下實驗室，在錦屏山地下隧道，通過探測暗物質粒子與普通原子核碰撞，假設暗物質之間有弱相互作用，暗物質粒子和普通原子核會發生碰撞，通過探測反衝原子核來直接探測暗物質粒子；第三種方法，雖然暗物質粒子本身不可見，但是暗物質粒子湮滅與衰變（是可探測的）。宇宙大爆炸產生了暗物質，當時的暗物質相互碰撞會產生可見物質，可見物質高能粒子相互碰撞再產生暗物質，雙方（暗物質和可見物質的產生）是可逆的。原初的宇宙大爆炸里必然存在著暗物質粒子和暗物質粒子相互作用產生的可見粒子，雖然產生的物理機制我們並不清楚。由於這些粒子是高能粒子，我們在地面因為大氣層的吸收無法探測到，必須進入到（宇宙）空間，通過探測暗物質粒子產生的高能粒子來間接的推知暗物質的性質。

第一種，加速器碰撞：通過高能粒子碰撞模擬宇宙大爆炸，產生暗物質粒子，然後通過加速器上的高精度探測器來分析這些信號，（推測）是否有暗物質粒子產生。可惜的是，LHC（Large Hadron Collider大型強子對撞機）的實驗，ATLAS （A Toroidal LHC ApparatuS超環面儀器，LHC配備的七大實驗偵測器之一）和CMS（緊湊渺子線圈實驗）的能量已經提高到接近14個Tev（兆兆電子伏特），目前是13個Tev，但是這幾年對暗物質的觀測結果不盡人意，和地下實驗的結果差不多。

第二個，地下實驗，通過探測暗物質粒子與普通原子核碰撞產生的微弱信號（來探測暗物質粒子），這個信號的強度是非常微弱的。目前地底探測非常熱門，我們國家就有三個實驗室（在做），全世界即使像南朝鮮、台灣這樣小的組織或者機構都在探測暗物質。

根據現在推測的暗物質密度，結合它高速運動的性質，假設它的質量大概是120個質子，那麼每秒大概有一千萬個粒子會穿過1L的可樂瓶。如果是50公斤的人類，平均每秒就有上億個暗物質粒子穿過你。

（暗物質地下實驗室）全世界分布廣闊，這張圖上是世界上比較知名的十幾家地下實驗室。

中國的錦屏山是世界上最深的實驗室

用直接方式如何探測（暗物質）呢？一種方法叫做時間調製法，太陽系圍繞著銀河系中心轉動，地球圍繞著太陽轉動，假設銀河系中心向四周吹出暗物質，即使暗物質沒有轉動，但由於銀河系本身在圍繞中心轉動，也是有相對運動存在的。假設暗物質是向著同一個方向運動，由於地球在自傳及繞著太陽系轉動，相對速度不同，所以人在不同時間遇到的暗物質粒子數量是不同的。如果人和暗物質運動方向相同，碰到的暗物質粒子數量少，如果方向相反，就會碰到較多的暗物質粒子，這樣就出現了圖中的時間調製現象。

這是義大利一家實驗室探測到的實驗現象，目前還沒有其他實驗室可以證明這個現象。但這也是一種測量方法，目前在南北極等不同地方都放了暗物質探測器來探測是否會有這種調製現象，但直到目前還沒有新的結果公布。

還有一種方法叫做零本底法，暗物質粒子產生的信號能量大概在Kev（1000電子伏特）波段，而我們周圍的物質（牆壁材料）都具有自然放射性，會嚴重干擾對暗物質的探測。要減少干擾，一是要降低環境物質的放射性——通過將材料提純的方式把本底降到最低；但是含有高能粒子的宇宙射線不停的向地球發射，這個是無法降低本底的，唯一的解決方案是把探測器放到地底，通過大質量的物體屏蔽高能粒子，所以我們才要到地底做實驗。宇宙射線和物質作用還會產生大量的中子，中子產生的本底信號也是一個很大的問題。如何降低中子的本底只能通過一些新的方法和探測器技術了。總體來說，如何探測反衝原子核呢？就是講反衝原子核的能量轉化為光、電、熱，探測發光的多少、電荷的多少、溫度的變化。

CDMS實驗（美國費米國家實驗室的「低溫暗物質搜尋實驗）是世界上第一個公布了暗物質探測的結果（研究人員稱他們在閃爍探測器信號中檢測到一個可能與WIMP粒子有關的峰），這是一個高精準探測器，把探測器降到既定溫度下，反衝原子核的能量會轉變為聲子（聲子就是「晶格振動的簡正模能量量子」。英文是phonon）信號，實際上是一種熱信號，通過熱震蕩和聲子信號來探測他。

還有上海交大的XENON實驗，（實驗中）氙(Xe)氣處於兩種狀態——液態和氣態，暗物質粒子產生的信號和氙原子核碰撞一下發光，反衝原子核碰撞和物質中產生電離，其中的帶電粒子進入到氣態氙中二次發光，通過（探測）兩次發光來探測暗物質的探測技術。

到目前為止，探測暗物質的靈敏度到10-45cm2，太陽產生的中微子本底信號在10-48cm2，這中間只有大概2個量級的探測空間了。目前世界上有很多探測器在探測暗物質粒子，唯一的信號來自CDMS探測器，找到了兩個信號，最後證明可能是本底。這是在美國的世界上最大的氙氣探測器，上海交大也是使用這種技術。這個是直接探測法，（直接探測法）這個實驗花了很多錢，探測下限接近10-45cm2，（但在暗物質探測）方面沒有任何結果。

上海交大要做一噸的液氙實驗，趙政國院士也參加了，美國也在做，（已經進行了）三個月我們看信號開始取數了，也許一兩個月、一兩年後會有突破性的結果。

剛才我介紹的都是地下加速器，回到空間。空間間接探測的理論是暗物質粒子本身不可見，但他在衰變或者湮滅的時候會產生大量看得見的粒子——普通粒子、反質子、質子、正電子、電子、中微子等等，通過探測這些看得見的粒子間接探測暗物質粒子。空間宇宙線輻射環境特別複雜。通常在空間選擇探測反粒子，來探測暗物質粒子，由於反粒子（反質子、正電子）是宇宙射線與星際介質作用的次級產物，相比較於原初宇宙線，流量低，所以探測暗物質粒子，由於本底低，都選擇反粒子作為觀測對象。

丁肇中先生提出的AMS實驗（阿爾法磁譜儀）就是通過探測反質子、正電子來探測暗物質粒子。但是探測反粒子有一個問題——必須區別電荷的極性。如何區分電荷的極性呢，必須有磁場，通過帶電粒子在磁場中的偏轉來判斷它的極性。磁場在地面很容易產生，在天上卻不是那麼容易的一件事情，需要大型的磁譜儀，磁譜儀的重量大，費用高。比如丁先生的AMS有7噸重，耗資20億美元。

但是磁譜儀也有一個問題，如果暗物質粒子不在他的觀測能力範圍內會產生什麼現象呢？隨著能量的增加，由於磁譜儀磁場強度的限制，磁譜儀鑒別粒子的本領會下降，出現了電荷誤判。以AMS為例，由於磁場強度的限制，大概到了300個Gev（十億電伏）他的電荷誤判會達到百分之十，意味著本來我要探測反質子，結果有10%的質子被誤認為反質子，10%看起來不大，但反質子和質子相差一萬倍，所以這個誤差就基本宣告實驗失敗了。

所以AMS實驗探測反質子上限基本到3、400個GeV就無法繼續探測了。那如果暗物質粒子的質量超過了3、400個GeV該如何探測呢？就要想其他的辦法。我們最早是探測100GeV的暗物質粒子，到現在為止沒有任何結果，然後丁先生證明到400個GeV還沒找到暗物質粒子，所以我們當時（設計）暗物質粒子（探測儀器標準）是瞄準丁先生（AMS實驗探測）的能區以上，不跟丁先生競爭，因為他有20億美元，我們肯定找不到20億美元。那我們就研究更高能量的信號，（研究）通過什麼方法可以探測這些特徵信號。

比如說γ射線的譜線，在GeV以上沒有任何物理構成能產生γ射線譜線，只有暗物質粒子湮滅。如果我找到了γ射線譜線，就是獲得了很大的成功；另一個是γ射線的分布，銀河系的物質是盤狀分布的，如果我們在某些能段探測到γ射線的分布——球狀分布，這也是暗物質（存在的證據）；（第三個是）高能電子能譜截斷，因為高能粒子和γ射線一樣，是單能的高能粒子。在銀河系傳播的時候會損失，這時候地球赤道的高能電子會看到一個截斷，因為暗物質產生的高能電子的能力不可能超過它的質量——這些信號都是暗物質粒子的特徵信號。

國際上近期主要的觀測進展是這樣的：一個是丁肇中先生的AMS-02最新觀測結果：這個正電子能譜，根據理論模型隨著能量的增加應該是向下走，但是實驗看到的正電子是往上走的，和理論模型不同。

那麼超出的這麼多正電子，是來自於暗物質，還是特殊的天體物理構成，比如脈衝星、超新星，還有高能光子在強磁場中會變成正負電子對，也會產生正電子，目前為止還沒有看到具體的進展。丁先生向世界宣布，尋找暗物質需要六種信號，我找到了五種，（超出的正電子、反質子就是2種）。要確定暗物質的存在，必須看到一個截斷，很陡的落下來，如果在圖形中是慢慢的落下來那肯定是高能天體物理構成，如果是很陡的落下來那就是暗物質粒子湮滅產生的。但目前仍然不能下結論這些超出的反質子、正電子就是暗物質粒子。根據這些模型和數據反推，暗物質粒子的質量在1Tev左右。

多年以前我們和美國人合作在南極放氣球，發現測出的高能電子和理論模型相比，在1TeV附近確實也有一個超出，這些超出是不是暗物質還不清楚。

剛才講了那麼多的實驗和結果，對於暗物質粒子是否存在我們仍然無法下結論，因為關鍵的特徵性——γ射線譜線、高能電子的截斷等，這些信號我們沒有找到，也就是丁先生說的六個信號找到了五個，但是最關鍵的一個還沒有找到。

我們需要一個新的探測器，它能到TeV以上，具有很高的能量能夠分辨探測譜線，具有很強的本底粒子鑒別能力，把暗物質粒子信號找出來，這就是暗物質粒子衛星——悟空。

暗物質粒子衛星的英文名字叫做DAMPE，這是我們學生提出的，是任天堂一個尋寶遊戲里的RPG，如果要找到寶貝，必須找到DAMPE，只有DAMPE可以帶你去把寶貝挖出來，這和暗物質探測衛星很吻合，我們希望它是一個DAMPE。

「悟空」的軌道高度是五百公里，太陽同步軌道，重量是1850公斤，探測器重量就是1450公斤，400公斤的衛星平台，功耗600瓦，每天（探測）的數據約16GB，發射時間為2015年。衛星的設計製作隊伍除了紫金山天文台，還有中科大、高能物理所、近代物理所、中科院國家空間科學中心，還從丁肇中先生那裡挖了一些人——日內瓦大學的團隊是AMS探測器主力部隊，還有義大利的I.N.F.N.佩魯賈大學和巴黎大學，這些隊伍共同建造了我們的探測器。

這個探測器最重的部分是BGO量能器，他有1050公斤重，是中國科技大學近代物理系趙政國院士的重點實驗室（設計製作的），測量粒子方向的硅徑跡探測器是由高能物理所領導著瑞士的兩個大學製作的，最上面是由近代物理所製作的塑閃陣列探測器，最下面是中子探測器，這四種探測器組合在一起就是一個高空間分辨和高能量分辨高能電子、γ射線、宇宙線望遠鏡。整個探測器由75916路子探測器組成，探測器重量1450公斤，功耗300瓦。只看數字似乎沒有概念，打個比方，國內最大的加速器在高能物理所，最複雜的譜儀叫北京譜儀。北京譜儀有四萬多路子探測器，而在悟空里我們要把七萬多路子探測器聚合在一立方米的空間內，還要升到天上能在宇宙中工作，所以這其實是個很大的挑戰。

衛星的觀測對象除了暗物質粒子，還有宇宙射線，研究宇宙射線源的傳播和加速。宇宙射線雖然已被發現了一百年，但宇宙射線源還沒有找到。天上眾多數量的高能粒子來自於什麼樣的天體源，我們還不清楚。

我們模擬的結果顯示，假設在1.4個TeV，暗物質衛星3年大概可以看到40個光子。如果費米衛星之前發現的宇宙里在130GeV可以看到γ射線譜線是真的，由於DAMPE有很高的能量分辨能力，上天3年的信號就可以達到8個σ。如果高能電子，AMS測到1TeV一直沒有看到往下掉，如果理論模型在TeV以上有這個階段，可以看到這樣的一些信號，統計誤差和系統誤差都很小。AMS的觀測結果現在看到了拐點但是沒看到截斷，前面和暗物質模型很像，後面就不像了。

宇宙射線起源是什麼呢？就是高能電子在銀河系傳播的時候由於電子和背景發生逆康普頓散射會損失能量，而由於銀河系裡存在磁場，高能粒子在磁場中運動的時候會通過同步輻射損失能量，它損失能量的速度和能量的平方成反比，意味著越是高能量的高能電子損失能量越快，傳播距離越短。太陽系附近測到的TeV高能電子肯定來自於太陽系附近不超過1KPC（1000光秒）的距離，天體源和地球距離不超過1萬光年，這樣的天體源數量是很有限的，我們尋找起來就會容易很多。

這是高能質子能譜，AMS發現100GeV以上質子譜並不連續，有拐點。拐點是否真的存在我們可以研究，這些拐點的產生最主要是來自宇宙射線傳播的物理效果，可以探測宇宙射線核素來探測傳播的一些參數，就是宇宙射線方面的一些特殊的物理構成。

還有量子引力，爆炸的時候空間不是連續的，會有很小的起伏，由於波長比較短，同一個源產生的不同波長的電磁輻射到達地球的時間會不一樣，根據這個我們可以測量量子引力。我們的科學目標就是通過測量高能電子y射線、質子和宇宙射線綜合的能量、方向、電荷和時間四個物理量的變化來完成的。

我們衛星最終完成是經過方案階段，初樣階段，正樣階段幾個階段，同一個探測器做三套之後才能上天。

從立項，我們完成了電性件，結構件，在瑞士進行了束流標定，然後進入鑒定階段，初樣階段，然後正樣階段，最後發射。我們以BGO量能器為例，它是中國科技大學製作的，有308個60公分長的BGO晶體，這是世界上最長的BGO晶體。我們花了三年時間，和上海硅酸鹽所合作，把這樣的晶體長出來，有616個光電倍增管，616路高壓電纜，1848路信號電纜，4.5萬個高壓焊點，16塊電路學板，92個接插鍵，136路熱電偶，48路熱敏電偶。光在光電倍增管背後的一個分壓板我們就做了30中不同的版本，因為探測器光電倍增管覆蓋的能量範圍要從MeV到Tev，相隔百萬倍，世界上從來沒有這麼寬的，所以儘管有一些技術資料，報道過有這樣的參數設計，我們還是需要自己把它做出來。同時委託生產光電倍增管的公司給我們做電路板，最後我們採用的是科大的，儘管只有一個硬幣大小的電路板，做了30個版本，最後發現性能完全滿足指標，而日本的公司做出來比我們差四倍左右。我們在整個項目還沒開始的時候就從科學院找了一小部分經費去研製了一個原理樣機，把電子學技術和探測器技術都在這個小型的原理樣機上做出來，把電子學技術、探測器技術全部證明了，最後我們才開始做暗物質衛星。做暗物質衛星之前，我們又做了一個結構件，因為1點幾噸重的探測器上天還沒有（人）做（過），所以使用鐵塊、碳纖維板把它組合在一起裡面的光電倍增管只有部分是真的部分是假的。後來所有的都換成真的裝到衛星上測試，一運行把衛星地板都震壞了，因為他們沒裝過這麼重的東西。所以我們又等了三個月，衛星換了地板再重新測試。把所有的東西都準備好了以後，我們把所有部件運到513航天所，請513的工人把它組裝成一個探測器——這需要很多道工序，從檢線、布線到最後出所驗收，再運回科大進行真空測試、電性能測試，電性能測試要和晶體進行配對，因為每一個光電倍增管的增益不一樣，我們要配到測到的信號盡量均勻。在科大配對測試完成以後，還有進行宇宙射線測試，測試完後運動南京，在這個過程中還有電路板的加工、環境音量和模擬空間，把熱循環要做18.5次，從極低溫到極高溫，把電路板裝到屏蔽板上，再裝到探測器上。我們還有8000多根電纜，只有1立方米的空間，如果直接裝進去肯定亂糟糟的，只有把電纜編成辮子的式樣，一條條理出來，經過工藝摸索、走線實驗，再把碳纖維組成的晶體、光電倍增管放進去，再進行電子學測試，測試正常以後請工人把8000多條電纜理成的一條條辮子梳理出來，接上插頭，編成比較整齊的樣子，再把電路板放上去。

最後完成這個鑒定件的時間是2014年的1月28日，也就是臘月二十八，科大的老師、學生還有工人都是臘月二十八才休息，正月初二我們又到了南京開始做宇宙射線測試。測試發現所有的結果滿足物理指標，再運到上海軍工所做磁測試，測量探測器上的剩磁，因為衛星上面有磁敏感器，如果剩磁太強會影響磁敏感器。

我們還做了電磁兼容性實驗，在探測器工作的時候從外面放無線電的干擾信號，測試探測器能否正常工作，同時測量探測器向外的電磁輻射是否符合要求。還有模擬衛星發射的震動和衝擊的力學實驗，在震動台上模擬衛星的震動。還有模擬溫度變化，把探測器放在一個大房間里，用很多加熱的爐子加溫，或者上方很多管子噴液氮降溫，做極低溫和極高溫實驗，要做大概13.5次循環。因為探測器太重了，別人做一次實驗要5、6天，我們做一次至少要1個月，探測器熱容量大，升溫降溫比較難。做完溫度模擬以後我們把探測器放到一個三層樓高的真空室，模擬探測器在真空狀態下的變化，還要在真空里模擬升溫降溫實驗，叫做真空熱實驗。

我們總共做了一個月，現場驗收後運回紫金山天文台（以下簡稱紫台），在紫台和其它探測器組裝在一起做聯試，因為只有BGO探測器正常運行是不夠的，還要其它探測器都正常工作、組裝後也都正常才行，這是很難的。聯試完成後，我們把探測器裝載進衛星，在衛星里再進行一次聯試。1月28日我們實驗室完成聯試，8月初衛星製作完成、聯試完成，這時候我們就進入正樣階段，重複了很多次這樣的工作，比較枯燥也比較困難。同樣還有軟體，科大的BGO2.7以上的fpg代碼有3萬多行，而且由於要保證上天后能應對各種複雜的環境和問題，還要進行比較複雜的測試。硬體和軟體都測試完成後，再組裝進入衛星，包括製作衛星，一共做了六個多月。在完成了衛星所有的實驗和測試後，我們終於到達發射場了。

在發射之前，我們還做了束流標定模擬，這是用加速器上的高能粒子模擬天上的高能粒子進行測試。

瑞士加速器（LHC）給了我們六個月的時間進行測試，我們小組的人去了六次。還有能量分辨，我們最終達到了0.89，在243TeV下，這是世界最高水平，比AMS高三倍以上，儘管我們沒有採用最先進的技術，就是使用了普通的軌道技術，但是我們把這些探測器組合在一起後，在正負百分之一以內的能量測量、能力分辨和能量信息，我們的分辨水平是全世界最好的。在發射之前，我們的角分辨達到了費米探測器的水平、電荷測量與世界最高水平AMS探測器相當。

2015年國際上有三個（暗物質探測）項目發射，中國、日本都發射了，美國由於火箭爆炸推遲到2018年。我們的探測器在最高的觀測能段，可以探測到10TeV的電子、γ射線；而AMS在沒有磁場的情況下，在1TeV就不能工作了，而我們（的探測水平）可以達到10TeV，是世界上幾何因子最大的探測器。

我們是世界上能量分辨最高的探測器，我們是粒子鑒別本領最強的探測器，所有的科技手段都已具備，只等上天接受驗證。2015年12月17日，悟空發射，三天後也就是20號開機，所有單機（除高壓電源）成功開機，因為有日本和美國衛星的教訓，高壓電源不能一下子升上去，不然會損壞探測器，其他單機各項指標與地面測試一致，一星期後高壓電源開機。

這張圖是我們的第一束光，當時在北京看到這張圖我們是不懂的，因為北京沒有分析能力，要把原始數據送回南京。由於網路速度的限制，我們只傳送了兩分半的數據給南京，處理完了又送回北京給白春禮院長（中科院院長）看。我們看到了328GeV的電子、12GeV的質子，9個GeV的γ射線、1.3TeV的碳離子，也就是說我們科學目中需要觀察到的所有粒子，在前兩分半，我們都看到了，但我們還需要兩個月的時間來測試探測器的性能是否達到要求。

到目前為止，衛星的指向精度和穩定性能度指標，比指標要高的多。現在的指向精度是0，指標是0.3度，說明衛星在天上很穩定沒有亂晃。當時我們希望小衛星所給我們做0.1度的指標，他要求三千萬的經費，我們拿不出來，說那就按0.3度做吧，但是做出來的指標甚至遠高於0.1度。為什麼呢？因為探測器是一個均勻的立方體，沒有超重，所以精度比較高。目前所有的探測器都在正常工作，我們準備的備份件目前為止沒有一個開機。我們有五萬多路硅徑跡探測器，我們設計的指標是97.5%，目前我們開機測試，99.85%的探測器是正常工作的。每秒鐘大概有10萬個高能粒子打在探測器上，大部分本底是從邊上打過去，再從邊上散射回來，通過衛星上的計算機判斷選擇100個從頂部穿到底部的高能粒子傳回地面。每天衛星繞地球約十五圈，每天下傳16GB的壓縮數據，地面處理後產生100GB的科學數據。

我們通過MIPs信號（高能粒子穿過探測器，不發生撞擊，通過電離相互作用產生的信號）分析數據，軌道上的情況和衛星上天前我們預計的數據吻合的很好。能量測量方面，MIPs信號還不夠好，我們還要繼續測量。這幾個現象表明，探測器的現象和動態範圍，是滿足要求的。

那衛星的能量分辨是不是滿足要求呢？宇宙射線的能譜在不同緯度上由於磁場強度的不同，所以宇宙射線的能譜也不同，這會導致MIPs的縫，又由於電離的能量和粒子的能量本身有一個百分比的關係，從赤道到不同的緯度會有一個百分之幾的變化。而我的探測器測到了這個百分之幾的變化，證明衛星上探測器的能量分辨是沒有問題的。

接下來是電荷測量，悟空上天后一個月測得的不同高能粒子的電荷數據和AMS兩年的數據相比，雖然我們（一個月）的數據量還不夠多，但AMS觀測到主要的結構我們都已觀測到了，數據分析的結果也和AMS的結果相當。

在方向測量方面，由於γ射線不是各向同性，即不同的天體放射出的γ射線方向不同，和費米衛星上天七年的數據相比，證明了我的方向測量時爭取的，否則我就不能拍到清晰的源。γ射線的測量有特殊的意義，因為γ射線在天上的流量只有宇宙射線高能粒子的百萬分之一，如果探測器沒有做好，高能粒子會被誤認為是γ射線，使你根本測量不到γ射線。但我們的衛星上天后立即測量到了γ射線，看到了天圖，證明所有的探測器是正常、方向測量也是正確的。角分辨指標也遠遠高於原有的理論指標，與世界最高水平相當。高能粒子和γ射線探測的意義在於，一般的γ射線測量時望遠鏡通過反覆探測將帶電粒子屏蔽掉，但由於我們的衛星要同時測量γ射線、高能粒子和帶電粒子，所以這個設計難度是很大的。而我們的觀測結果證明了，所有的探測器都是正常工作的。

我們的粒子鑒別本領也是非常優秀的，因為暗物質信號非常微弱，因此對探測器的粒子鑒別本領要求很高。我們的探測器的粒子鑒別本領要優於AMS的探測器，在同樣的能段，我們的探測器鑒別本領要比AMS至少高十倍。儘管我們使用了普通的探測器，但我們積累了幾十年的方法，和AMS的鑒別方法完全不同，我們得國家科技進步二等獎的技術也用在這上面了。我們的探測器可以將本底壓到很低，信號和本底基本是零本底，這樣我們可以精確測量每一個電子的方向、能量、和空間分布。暗物質衛星的科學目標要求測量三種粒子的四種物理量，我們完全滿足了要求，到2016.3.13為止，我們在軌道上統計觀察到4億多個高能粒子，覆蓋了三分之二的天區，大概相當於AMS8個月的觀測結果，我們2個月完成了，還捨棄了很多部分。下一步的計劃我們準備2年的巡天觀測，至少4次覆蓋全天區；1年的定向掃描觀測，2016年底我們期望能夠公布首批科學成果。

習主席去年年底的講話提到了暗物質衛星，只要堅持夢想總是可以實現的。謝謝大家，感謝母校的培養和支持。