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“悟空”传回消息了!它看到暗物质了吗?

悟空传回了好消息!

今天刚刚出版的《自然》(Nature)杂志上,发表了中国暗物质粒子探测卫星“悟空”的首批探测成果。

“悟空”是2015年12月17日发射的中国自己的暗物质粒子探测卫星。“悟空”的任务,是去寻找宇宙中一种既看不见,也摸不着的神秘东西——暗物质。“悟空”之前,中国几乎没有这类专门用于基础科学研究的卫星。

图片来源:dpnc.unige.ch

从上世纪30年代开始,天文学家就从陆陆续续的观测中发现各种证据,得出一个推论——宇宙中存在着一类质量较大,但是却不参与任何电磁相互作用的神秘物质。天文学家把这种物质叫做暗物质,并且结合各种观测证据,相信宇宙中暗物质的质量大约是普通物质的5.5倍那么多。然而,没人真的知道暗物质到底是什么。

那么,专门跑去外太空搜集证据的悟空”,究竟看到了什么呢?

以“悟空”发表在《自然》上的成果为基础,暗物质卫星首席科学家、中科院紫金山天文台副台长常进;暗物质卫星科学应用系统副总设计师范一中;香港大学物理系与空间科学实验室副教授、最年轻的高能天体物理学最高奖Bruno Rossi Prize获得者苏萌;中科院高能物理所研究员毕效军;中科院院士陈和生等几位暗物质研究领域的科学家,接受新华社中国特稿社的专访,详细解读了暗物质卫星的探测结果,并展望了暗物质研究前景。

“悟空”发现了什么?

常进

“悟空”是世界上首颗从太空中直接观测最高能段电子宇宙射线的卫星,成功获取了目前国际上精度最高的电子宇宙射线探测结果。“悟空”首次直接测量到了电子宇宙射线能谱在0.9TeV处的“拐折”,这对于科学家区分低于1TeV的电子宇宙射线是来自暗物质还是来自天体现象具有关键意义。这个“拐折”也是丁肇中先生领导的国际空间站第二代阿尔法磁谱仪(AMS-02)一直致力于测量的信号。

在“悟空”现有的观测数据中,最出乎科学家预料的迹象是:电子宇宙射线能谱在1.4 TeV处似乎存在一个“尖锐结构”,这可能预示着宇宙中存在“质量为1.4TeV左右的新粒子”,或者,“尚不为人知的单能态TeV粒子加速器”。如果这个精细结构最后能得以确证,将是粒子物理或天体物理领域的开创性发现,是超过现有教科书之外的发现。

高能宇宙射线正负电子能谱图。红色的点是“悟空”观测到的数据。图片来源:参考文献[1]

苏萌

在《自然》杂志发表的这篇文章中展示了一张非常重要的正负电子能谱图,绘制了卫星成功运行以来收集到的宇宙中的正负电子在不同能量段的分布。

这个图为什么重要呢?可以看出来它有一些能谱上的结构。首先它随着能量的升高是往下掉的,这意味着能量越高,收集到的电子数量越少。另一方面,不同能量段下降的速率不尽相同,告诉我们宇宙中不同的高能电子的起源。

绿点代表的是国际空间站上耗资20亿美元的AMS02的探测结果。有人说这张图可能是人类科学探索史上最贵的一张图之一。而蓝点代表的是美国费米伽马射线空间望远镜的探测结果。可以看到,在能量1TeV以下,费米卫星的结果和悟空的探测结果是一致的。这说明我们中国的第一颗高能电子探测卫星的观测结果,就达到了跟美国人耗资10亿美元的费米伽马射线空间望远镜一致的先进水平。这首先证明了“悟空”在工程上的成功,说明人们可以相信它的测量结果。

由于工程设计的限制,费米只能测到1TeV,而“悟空”在探测效率和探测能力上比费米高了十倍。所以,“悟空”比它诞生之前人类最好的两个空间实验在超越TeV的能段更进了一步,比其他实验观测的能量更高,测得更好,为科学家打开了新的窗口。“悟空”之前,人类还没有在这个能段进行过这么精确的测量。这是一个非常成功的实验。

那么“悟空”看到了什么呢?它第一次测量出宇宙射线中电子能谱在0.9TeV附近的“拐折”,第一次肯定了能谱上的“掉”,第一次实现了跨越TeV能段的空间直接测量。这些都表明,“悟空”的科学目标已经实现了。“悟空”的目标就是从1TeV测到10TeV,这在以前是无论太空还是地面昂贵的实验都做不到的——费米拼了命从1 TeV测到2 TeV,还测得不太准,因为它从设计之初就注定对这个能量段“心有余而力不足”。丁肇中先生说AMS02有暗物质的信号,其实要等的就是这个“掉”。

本来这个故事应该可以高兴的结束了,却没想到“悟空”的故事还有更精彩的下一部分,它看到了更有趣的现象,也就是1.4TeV处突起的点。如果这个点真存在的话,那就是特别的幸运。

范一中

丁肇中先生在国际空间站上的实验是类似的测量。科学家一般认为,精确测量能谱的下降行为是非常关键的,可以用来区分是不是暗物质。“悟空”把实验物理学家最关心的电子宇宙线能谱在1TeV附近怎样下降的行为测出来了。天体物理过程也会造成能谱下降,但是下降的具体行为不一样。所以“悟空”探测到的这个下降行为是不是暗物质造成的,还需要理论物理学家继续深入解读。但不管怎么样,把它精确的测量出来,才能区分,所以成功的直接精确测量是一个非常关键的突破。

毕效军

这次测量很有意义,我觉得最大意义是测量到宇宙线电子能谱在高能量处有一个向下“拐折”的结构。这是人类第一次在空间实验上直接探测到电子能谱的“拐折”。在宇宙线,也就是核子、质子的能谱上,大概五十年前人类就发现了这个现象,叫宇宙线核子的“膝”——就像人的膝盖一样。但是直到现在,宇宙线的“膝”的成因也没有彻底搞清楚。“悟空”看到了宇宙线中电子的“拐折”,我觉得这从宇宙线以及天体物理方面来说是一个重要的事情。

 美国的费米卫星,中国在西藏羊八井做的实验,以及将要在四川稻城开展的宇宙线观测实验,这些实验的核心目标就是去找宇宙线的源。宇宙线中的带电粒子来自哪里?为什么能够把粒子加速到这么高的能量?这些问题到现在仍然没有一个确切的结论。费米卫星最重要的科研成果之一,就是发现了两个可能的宇宙线源,并分别在《科学》(Science)杂志上发表了论文。负责费米实验的科学家认为这两个源是两个超新星爆发后留下的遗迹,但是这个结论并没有在科学界达成共识。所以,悟空的探测结果有可能帮助大家更多地了解宇宙线电子的起源。

所以,“悟空”探测到的信号是暗物质吗?

范一中

还不能说我们发现了暗物质。只能说我们在那里发现了奇怪的现象,还需要理论物理学家去解释这些现象。

我个人认为,0.9TeV的“拐折”行为表明,低于1TeV的电子,尤其是正电子大部分应该不是来自暗物质,而是来自天体物理现象,不能整体当作暗物质。如果进一步测得更准,可能一些小结构与暗物质有关。

现在我们更关心1.4TeV的这个数据点。这个突起的点太怪了。我们从来没有想到过天上会有这个家伙。如果这个信号被确认,那么意义重大。它也许意味着一种新粒子。就算不是新粒子,哪怕是天文现象,也是从来没有人想到过的重大新发现。这个是不是暗物质?我觉得回答这个问题为时尚早。对于“悟空”团队来说,目前最重要的是收集到足够的数据来确认是否有这个能谱结构。我对此充满期待。

科学家们关心的是暗物质粒子是什么,暗物质粒子质量有多大,以及,暗物质粒子分布在哪里。如果这个信号真的来自暗物质,就能回答暗物质粒子质量有多大这个问题。同时也能回答另外一个问题,就是至少在太阳系周围不太远的地方就有暗物质团块——因为这么高能的电子是传播不远的,它们的能量损失速率太快了。

天上会不会有类似加速器一样的天体现象把电子加速到这么高的能量?黑洞确实会产生很多辐射,但是一般都有很宽的能量范围,跟现在数据中的迹象所展示的很不一样。或许是脉冲星。但就算是脉冲星产生的,那也是一种很重要的发现——宇宙中还能加速出这种东西,那也是很奇怪的现象。所以无论如何都会是非常重大的发现。

现在1.4TeV信号的数据量还不够,还不能排除统计波动。还需要少则一年,多则三年时间进行更多的观测。但我们很有信心,卫星工作状况很好,随着数据的积累,能谱形状能够看得更清楚准确。

苏萌

能谱上的“掉”可以用天体物理来解释,但不能排除暗物质。这个“掉”本身就是丁肇中先生所说的暗物质信号,所以在一些科学家眼中这已经是暗物质的一个重要信号了。但是我认为即便把“掉”测量精确一百倍,也不能肯定地说它就是暗物质,因为有其他可能的方式去解释。只要有其他方式解释,就不能拍板说这是暗物质。现在只能说不能把其他方式排除掉,但是暗物质是一个可能的、更有趣的解释。

而1.4TeV处的现象非常有趣。首先要说明的是,这个点现在还不是一个发现。现在用的是530天的数据,只是看到了迹象,因为统计的置信度还不够高。这不应该是宣布暗物质发现的方式,科学界不会这样宣布。如果1.4TeV的“超出”真的存在,那除了是暗物质,它还能是什么?它也太像暗物质了。但是,距离我们很近的毫秒脉冲星也能解释这些“多余的正负电子”,这种模型也不能完全被数据排除。

究竟什么样的信号才是暗物质?“悟空”看到的已经是这种卫星所能看到的最像暗物质的信号了。但是即便如此,大家也只能说,太像了,太牛了!咱们再努力看一看,谁都不能拍板说这是暗物质产生的信号,如果要确认是暗物质,需要不同的实验多方检验。

它或许源自暗物质,也可能有其他的天体物理起源。比如中子星也可能产生很高能量的电子,能不能排除需要进一步研究,这是很难的,需要对天体物理背景有更深刻的理解。

毕效军

通常我们说发现一个信号,如果统计量到5倍sigma,就是信号足够明显。但悟空现在探测到的1.4TeV的点统计量还只有3倍多sigma。随着观测时间越来越长,就会慢慢看得越来越清楚。

如果随着卫星数据的增加确认这个信号是真的,那将具有非常重要的意义。这意味着存在一个1.4TeV的暗物质粒子,或者地球附近存在一个可以把电子加速到单一能量的天体源。如果用暗物质解释,那和我们通常对暗物质的理解不太一样。它符合最流行的暗物质粒子模型——弱相互作用大质量粒子(WIMP),但是具有比较特殊的性质。

悟空寻找的是暗物质湮灭的信号。
暗物质湮灭到底是什么?

毕效军

一种流行的观点认为,暗物质和普通物质通过同样的方式产生。在宇宙大爆炸的早期宇宙是一个高温、高密度的状态,普通物质就是在这种状态中产生的,那么暗物质也可以在这种状态下在高温中产生出来。按照我们对于粒子物理的理解,这个产生一定会对应一个反过程,就是暗物质湮灭的过程。

暗物质湮灭的产物是什么呢?理论上,标准模型里的所有粒子,它们都可以湮灭出来。但是这些粒子有的是不稳定的,比如夸克。而我们在探测器上探测到的一定是稳定的粒子,所以最后我们能够探测的就是这么几类稳定的粒子——伽马射线、正负电子、正反质子、中微子。有的探测器对伽马射线灵敏,有的是对正负电子灵敏,所以实验物理学家要探测什么粒子实际上是根据探测器的性质去设计实验的。

苏萌

暗物质粒子有一定的概率会相撞,有极小的概率会湮灭。

暗物质粒子基本上都是“单身”的,一辈子都不会发生相互作用,是极其“孤独”的粒子。暗物质粒子相遇后,非常不友好,没有什么力让它们相互绑定。所以它们撞完后没啥事就走了。但是有很小的概率,它们撞的方式方法很对,各种机缘巧合,它们“来电了”。

如果悟空探测到的1.4TeV信号是真的话,那有可能在太阳系附近有一个暗物质聚集的地方,就像它们的“相亲角”,暗物质“光棍儿”都来了,各种各样的相见,多多少少总会有发生反应的时候。

暗物质粒子湮灭,会产生正负电子、伽马光子、夸克等。两个暗物质粒子反应,它们选择变成正负电子;另外一对暗物质粒子湮灭,可能选择产生光子。暗物质粒子摇身一变,变成可被观测的粒子。

如果1.4TeV信号真的是暗物质粒子产生的的话,那么还有什么其他手段来检验这个信号?这就提出了更多的课题。

我们距离确认发现暗物质还有多远?

毕效军

只通过天上的一种实验通常是很难确认暗物质的。地下实验中,探测器被包得严严实实的,把其他各种信号都屏蔽出去,这样看到的信号会比较干净,更容易确认是暗物质信号。但是到了天上,各种乱七八糟的天体所产生的粒子是没有办法屏蔽的,所以要想在天上确认暗物质的信号会非常难。

不过,天上的实验可以给大家一个线索,例如暗物质大概有多重,和电子有相互作用,那大家就可以想办法了。比如制造能量要足够高的正负电子对撞机来确认并细致研究暗物质的性质。

但是即使在对撞机上把暗物质撞出来了,或者撞出一种很像暗物质的粒子,它跟宇宙里的暗物质是不是一种也很难讲。怎么才能确定呢?只有说对撞机上撞出来的粒子的性质,和宇宙线探测,或者地下实验室探测的暗物质的性质吻合了,我们才能有自信地说我们看到的是一种暗物质。

暗物质有可能不是一种粒子,但现在只是从最简单的假设出发。

我认为这三种实验中最有希望的可能还是地下直接探测。因为对撞机的花费太大,时间太长。天上的实验虽然最容易观测到现象,但是各种各样的干扰太多,难以确定现象的起源。在地下,实验室里可以加各种防护和屏蔽,把干扰都去掉,而且现在灵敏度又进步得那么快,有可能更快看到暗物质的信号。

苏萌

打个比方,之前大家都说在这个地方拍到照片就能捉到暗物质。现在“悟空”探测到的电子宇宙射线能谱,就像是拍出了这张照片,但大家发现还不能确定,为了不造成冤假错案,还需要收集更多证据,进一步锁定范围。

期待用一颗卫星找到暗物质,就像期待买一张彩票就中超级大奖。

科学家发现存在暗物质这么多年了,它只是作为一个概念存在。如果真的探测到暗物质粒子湮灭的信号,并且还测出暗物质粒子的质量是多少,这是一个概念性的极大跨越。所以在这样的情况下,越重要越需要谨慎。

既然“悟空”探测到的信号存在暗物质和天体物理的可能性,就非常值得进一步开展实验测量。接下来要把这个仪器标定得更好,对这个仪器的理解本身也是一个积累经验的过程。如果1TeV-10TeV电子谱里面含有的东西真的是比想象的多的话,非常值得再研制一个更好的卫星。“悟空”的探测结果显然会深刻影响国际同行,对领域发展毋庸置疑是一个巨大的促进作用,欧美主要国家一定会开始讨论造卫星超过我们。这个能量段显然比以前人们期待的更丰富、更好玩、更有可能有“金矿”。

如果“悟空”探测到的1.4TeV的信号是真的,想把这个信号解释为暗物质粒子的话,应该还需要地面大型对撞机和地下实验来验证。但是就算是人类建造出下一代的粒子加速器,可能都无法进行这样的验证,因为非常难,能量可能达不到。地下直接探测实验的设计可能要改进和优化,因为这个疑似暗物质粒子的质量很大,在TeV能段。

人类做出新的发现,迈出那一小步真的很难,因为你得走过别人走过的多少步,才能再多迈出那一步。想拓展人类一点点认知,这个过程是很曲折的。

寻找暗物质为什么重要?
对中国为什么重要?

常进

暗物质现在不会影响你的生活,但是会影响我的生活,将来会影响你后代的生活。在100年前量子物理刚被发现时,人们认为一点用处都没有。但是现在,我们使用的手机、电脑等等都跟量子物理有关。我们只有弄清楚暗物质的物理本质以后,才能说它对未来产生什么作用。物理的进步会导致科技的进步,这是百分百肯定的。

苏萌

在我看来,发现引力波都没有找到暗物质重要,因为LIGO看到的是一个肯定会看到的信号,是爱因斯坦引力理论的直接预言,只是人类要花多大代价看到的问题,看不到反而是个麻烦。但是如果“悟空”能看到暗物质信号并且最终被确认,那是谁都没有想到,也没有预言过的。

从这颗卫星最初设计时,我就一直看好这颗卫星,因为它是对全新能区的探索。科学家很少是预期看什么就真的会看到什么,往往都是期待与想象的不一样,但是对未知世界的探索总能有意想不到的新发现。什么是科学发现?经常都是照着一个科学目标去,但是发现了其他的东西。对“悟空”原本的期待就是能测量到能谱上的“掉”,这就非常成功了,但结果不仅超额实现了预期目标,或许还向我们展示了预期之外的新现象。

暗物质的研究现在看不到直接的经济回报,但是暗物质的探索代表了基础科学中人类对宇宙本原的追寻,是人类好奇心在驱动,跟经济生活中的商业模式完全不同。如果中国人参与解决这样重要的科学问题,今后人类在说起暗物质时会提到中国人的贡献,那是不是值不值得我们在今天投入一定的精力和人去做?在人类科学进程中,很少看到东方文化的影子。作为崛起的大国,中国发展到现在这个阶段,有能力和条件为人类文明进步做出贡献,在科学探索中留下中国人的脚印,我想这是中国科学家奋斗的意义和价值所在。

陈和生

暗物质探测主要包括上天、入地、加速器三种实验。即便这三种实验都发现了暗物质候选粒子,想要确认发现的就是暗物质,也是极为艰巨的任务——三种实验或至少两种,必须相互验证,才能确认这种粒子的存在。

暗物质研究有可能取得突破的方式包括:出现“21世纪的爱因斯坦”指点迷津,提出革命性的物理理论;上天、入地、加速器这三类实验确认超越标准模型的暗物质粒子;更多的天文观测和宇宙学研究给出不同结论。

粒子物理的“标准模型”正确地解释了几乎所有的实验现象,获得了18次诺贝尔物理学奖。然而暗物质和暗能量的存在使粒子物理学面临最严峻的挑战,标准模型只能解释宇宙中约5%的物质,对宇宙的95%都一无所知。这就如同我们依然在瞎子摸象,或是井底之蛙。

暗物质和暗能量是本世纪物理学面临的严峻挑战,也意味物理学面临重大突破的历史机遇,需要理论和实验物理学家、天文学家密切合作,共同努力破解世纪谜题。

希望中国物理学家能够对暗物质这场革命作出重大贡献,这也是我们中国梦的一部分。(编辑:明天)

参考文献:

  1. DAMPE Collaboration, 2017, Direct detection of a break in the teraelectronvolt cosmic-ray spectrum of electrons and positrons, Nature, doi:10.1038/nature24475
The End

发布于2017-11-29, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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喻菲

新华社中国特稿社记者

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