“悟空”测量到“拐折”：距离发现暗物质还有多远？

中国暗物质粒子探测卫星首批成果公布

“悟空”火眼金睛看到了奇特天体？

近日，《自然》杂志报告了中国暗物质粒子探测卫星“悟空”的首批探测成果：“悟空”测量到电子宇宙射线能谱在1.4万亿电子伏特(TeV)能量处的一个“拐折”，这或许代表着暗物质“幽灵”一闪而过的身影。

暗物质，被称为现代物理学天空的乌云之一，它占宇宙总比重约27%，比我们熟知的普通物质多5倍。但它却又不同于现代物理学里已知的任何种类或形态的物质。科学家认为，对暗物质本质的理解，可能会带来对现代物理学颠覆性的突破。

但是，“悟空”这次的发现能说明暗物质存在吗？它又是如何发现这个可能的暗物质“身影”？对此，南方日报记者采访了紫金山天文台“悟空”团队的科学家，对这些问题进行解读。

●南方日报驻京记者 王诗堃

策划统筹：张志超

“悟空”看到了宇宙中的什么？

“悟空”于2015年12月17日发射升空，英文名叫DAMPE，也即“暗物质粒子探测卫星”(Dark Matter Particle Explorer)的缩写。“悟空”飞天，其核心任务就是在宇宙线和伽马射线辐射中寻找暗物质粒子存在的证据，并进行天体物理研究。

尽管耗资1亿美元的“悟空”号成本相对较低(国际上的空间暗物质探测器阿尔法磁谱仪AMS-02、费米卫星分别耗资20亿、7亿美元)，但“悟空”号有两项关键技术指标——“高能电子、伽马射线的能量测量准确度”和“区分不同种类粒子”的本领，却在世界上领先。而且，它尤其适合寻找暗物质粒子湮灭过程中产生的一些非常尖锐的能谱(指电子数目随能量变化的情况)信号。

对于“悟空”这一新发现，《自然》中国区科学总监印格致(Ed Gerstner)引用了科幻作家阿西莫夫的话来形容——

在科学探索中能听到的最激动人心的一句话，即在最重要的新发现之前出现的短语，不是“尤里卡，我找到了”，而是“嗯……这挺奇怪！”

在此次公布的“悟空”观测数据中，最出乎科学家预料的是：电子宇宙射线能谱在1.4万亿电子伏特能量处产生了一个“拐折”。

“悟空”团队科学家、中国科学院紫金山天文台研究员袁强告诉南方日报记者，“我们认为这个‘拐折’主要是来自于天文原因，很可能和高能电子源的空间分布有关，从而也表明TeV能量以下的电子不是主要来自于暗物质。更出乎意料的是，在1.4万亿电子伏特能量处电子数目突然增多，在能谱上体现为一个跳点。如果这一现象得到后续更多的观测数据证实，这将是一个重大发现”。

袁强介绍，这种现象有两种解释：除了可能是来自于暗物质粒子湮灭的信号外，还有可能意味着太阳系邻近区域，存在某种“奇特天体”可以将电子加速到单一能量。

不过，即使不是暗物质，这种能够发出“跳点”信号的天体，也是前所未有的新发现。

距离发现暗物质还有多远？

“大质量弱相互作用粒子”，这是科学界对暗物质粒子模型的主流设想。按这种模型，如果暗物质由大质量弱相互作用粒子构成的话，这些粒子偶尔会发生互相湮灭，并且形成正负电子对。从本质上说，暗物质本身不可见，但暗物质湮灭或衰变时会产生看得见的粒子。“悟空”的“火眼金睛”，正是通过寻找“大质量弱相互作用粒子”湮灭的信号，间接证实暗物质。

科学家曾用“盲人摸象”形容对“悟空”原始数据的处理。据了解，“悟空”每天传送回500万个粒子信息，粒子包括原子、电子、中子等。原子由原子核和绕核运动的电子组成，电子与正电子会因碰撞而湮灭，并在这过程中产生光子。500万个粒子信息中，电子只有不到千分之一，而光子只有十万到百万分之一。

对于科学家来说，“悟空”在近两年在轨时间里获得的数据仍然不够，他们还需要更多工作来确认新的发现。

暗物质卫星科学应用系统副总设计师、中国科学院紫金山天文台研究员范一中告诉南方日报记者，“数据中存在有趣的现象，可能和暗物质有关系。但是现在我们项目组最重要的是积累更多数据，开展独立的分析方法，确定1.4万亿电子伏特能量处超出是一个真实的物理信号而不是统计涨落。”

袁强也表示，“根据现有数据，这个结构有百分之零点零几的可能性是一个假信号。而我们需要把这个可能性进一步降低，那样才有把握说我们发现了新现象。”

“再过1—3年，预期它在我们最为期待的1.4万亿电子伏特能量处观测电子数将积累到150—200个，那时结论会更确定。无论这些电子来源于哪里，都将是粒子物理或天体物理领域的崭新发现。”“悟空”首席科学家、中科院紫金山天文台副台长常进此前曾表示。

袁强还表示，“悟空”的数据里还包括大量的宇宙射线以及一些伽马射线，这些数据对于天体物理的研究也很重要，也需要我们逐步加以分析和发掘。

怎样才能寻找到暗物质？

“暗物质是目前粒子物理标准模型之外的一种全新的粒子。”从事暗物质研究的中国科学院高能物理所研究员毕效军对南方日报记者表示，直接找到暗物质并确认其属性，能够为我们探索比标准模型更深层次的物理规律提供了线索，可以说是打开了走向更深层物质规律的一扇门。

袁强也表示，暗物质属性奇特，它们不发光、不参与电磁作用，不同于现代物理学里已知的任何种类、形态的物质。对暗物质本质的理解，必然将带来对现代物理学的突破，而这个突破很可能是颠覆性的。

袁强告诉记者，目前，科学界探测暗物质主要有三种办法：“悟空”采用的是空间间接观测法，原理是观测暗物质粒子湮灭或衰变产生的普通粒子来间接探测暗物质。

据了解，除了“悟空”号，还有国际空间站上正在进行的AMS-02实验、美国的费米卫星实验都在寻找暗物质信号，他们和“悟空”号属于相同的探测方式。

另一种办法是直接探测，原理是建造大型探测器，等待暗物质粒子“撞上来”。“因为空气中有大量的宇宙射线辐射，为得到一个干净的测量环境，通常这类实验要到很深的地下去做。目前，我国在四川锦屏山下建有一个国际上最深的深地实验室，是非常理想的暗物质探测实验室。现今，锦屏实验室开展有PandaX和CDEX两个暗物质探测实验。”袁强表示，第三种办法则是通过高能粒子对撞机制造出暗物质粒子。这三种办法可互为补充，共同为揭开暗物质之谜努力。