暗物质探测卫星“悟空”为什么要到天上去

导语：宇宙中分布着约68%的暗能量和27%暗物质，而我们看得见、摸得着的普通物质仅占5%，就如同深沉夜幕中几颗闪光的星星。为捕捉暗物质粒子湮灭或衰变后留下的痕迹，为寻找宇宙起源，科学家们一直都在尽力寻找这些夜空中最“暗”的星”。在SELF x 墨子沙龙的舞台上，暗物质粒子探测卫星首席科学家常进为我们讲述，探究暗物质粒子的科学历程。

以下内容为常进演讲实录：

我叫常进，目前是暗物质粒子探测卫星的首席科学家。我向大家介绍一下空间探测暗物质粒子的一些情况。

从太阳系的边缘看地球，地球就像一颗太阳里的浮尘。银河系里大概包含了一千亿个这样的太阳，当我们从银河系里看太阳的时候，它根本连浮尘都算不上，是一个点。

银河系是一个棒旋星系，包括一根棒，两个大的旋臂，两个大的旋臂又分了好多小的旋臂。银河系里的太阳与银河系中心的距离大概是2.5万光年。在北京兴隆山上，有个LAMOST望远镜，它是我国目前最大的光学望远镜，通过测量大量的恒星光谱，得出太阳的速度是每秒240公里。太阳绕银河系中间转，转一圈需要2.3亿年，所以你这辈子都不可能绕银河系转一圈了。

我们知道，人造卫星绕地球转，离地球越近的时候速度越快，离地球越远的时候速度要慢下来。如果卫星在离地球很远的地方仍然保持高速，它肯定会跑出地球，飞进太阳系。

但是有一个很有趣的现象，银河系里的发光物质或者气体的分布，大概是10万光年这样的尺度。根据太阳和银河系中间发光物质的分布，科学家可以准确地把太阳绕银河系的速度计算出来，大概是每秒160公里。

但刚才我们提到，LAMOST观测到的太阳实际绕行速度不是160而是240公里，为什么太阳的速度这么快，却没有飞出去银河系呢？是因为太阳和银河系中间存在着大量我们还没看得见、看不见的物质，可能是暗物质。

我们测量银河系外围的星云也就是气体绕银河系转的速度，发现它的速度也在200公里左右。根据这些尺度、速度、距离，我们大概推断出银河系里的物质分布大概是发光物质分布的10倍，还有90%的东西是不发光的。

这是一个微波背景图像，也就是宇宙大爆炸38万光年以后，宇宙辐射冷却下来的一个图像。现在宇宙学进入精确宇宙学时代，测温度我们精确到零点几个毫K，也就是10^-6开尔文的变化。

图片里可以看到，有的地方红一点，有地方蓝一点，看上去相差很大，实际上是图片把它放大了，温度变化其实只有千分之一左右。这千分之一的变化，就表示了整个宇宙中的物质分布情况，有的地方分布得多，有的地方分布得少。

根据这张图，再结合刚才的旋转曲线、X射线观测、引力透镜的观测情况，总之有大量的天文观测，现在的最新结果表示，宇宙中我们只弄清了5%，还有95%是看不见的暗物质和暗能量。其中暗物质大概占26%点几，接近70%的是暗能量。

我今天重点讲暗物质。刚才讲了那么多天文观测结果，表明暗物质在宇宙中是肯定存在，但是暗物质的物理性质是什么呢？

人类到目前为止已经弄清楚，物质是由61种基本粒子组成的。前几年“上帝粒子”被发现了，但是这61种基本粒子和暗物质粒子的物理性质都不吻合，那么暗物质粒子必须具备什么性质呢？

长寿命、质量大，不参与强相互作用和电磁相互作用，只有引力相互作用，可能有弱相互作用，现在还未被证实。这就是暗物质粒子探测这么热门的原因，也就是说，如果我们在暗物质方面取得一些突破，肯定在标准的物理学上也会取得突破。

61种基本粒子最难测出来的是希格斯粒子——上帝粒子。为什么它这么难探测？是因为不知道它的质量多大。

这里我讲一个故事。我有个朋友他现在已经退休了，希格斯粒子——上帝粒子上个世纪60年代提出来的时候，他当时正好是念高能物理的研究生，他的主要研究方向就是寻找希格斯粒子。

当时世界上认为，希格斯粒子在MeV（百万电子伏特）量级，认为在实验室就可以探测到——我们知道，核物理构成大部分在MeV。后来实验室并没探测到。有科学家认为，可能它在几十个MeV，接近GeV（十亿电子伏特），于是拿到加速器上去测。所以我这个朋友到斯坦福去做博士后，在斯坦福搞了5年还是没探测到，他认为希格斯粒子的质量可能在GeV以上，有十个GeV左右。

那时候，德国有一个最大的加速器就叫DESY。我们知道丁肇中先生诺贝尔奖拿到以后，也是在DESY做高能物理实验。在DESY加速器上找希格斯粒子，花了有10年时间还是没找到，于是认为希格斯粒子的质量可能在几十个GeV。那时候，最大的加速器已经搬到欧洲核子中心，也就是瑞士日内瓦和法国交界的地方，名字叫LEP对撞机。

我那朋友又在LEP上干了十几年，还是没有找到，认为希格斯粒子可能在100Gev以上。这时候更大的大型强子对撞机建好了，找到了希格斯粒子，但是他已经退休了。

到目前为止，我们还不知道暗物质粒子质量究竟多大，但是我们希望这样的故事不要在我们身上发生。我们努力工作，希望能够尽快找到暗物质粒子。

刚才讲了，暗物质在宏观分布上占宇宙的主要部分，但在微观密度上并不强，在地球附近的分布大概在每立方厘米0.3个质子。这个数字比较抽象，比如地球这么大的体积装满了暗物质，大概只有几公斤，所以在地球附近找到暗物质是一件很难的事情。

那么怎么去探测暗物质粒子？有三种方法，第一种是在加速器上探测。加速器上通过高温粒子碰撞模拟宇宙大爆炸，将暗物质粒子碰撞出来探测到它。

目前最大的加速器，也就是发现上帝粒子的LEP强子对撞机，对撞能量目前已经到了13个TeV（1000GeV），实际是14个TeV。可惜四五年下来了，暗物质粒子探测方面没有取得什么成果。

第二种方法是地下直接探测法。让暗物质粒子与普通原子核碰撞，像打台球一样的，一个球撞另外一个球。暗物质本身不可见，但是暗物质碰撞另外一个球（原子核）以后，原子核会动，通过探测反冲原子核来探测暗物质粒子。

为什么放到地底下？因为球动的能量量级大概在KeV（千电子伏特）到MeV量级，而地面上这样的本底（环境中本身存在的）最多，尤其是宇宙射线，天上来的高能粒子轰击大气，产生的大量次级粒子也在这个能段里面。

所以为了屏蔽这一部分本底，必须把探测器放到地底下，放得越深本底会越低。我们国家将在锦屏山建立世界上最深的地下试验室，用来探测暗物质粒子，上海交大和清华大学都有实验在那儿做。

第三种方法是空间探测暗物质粒子。因为暗物质粒子来自宇宙大爆炸，在宇宙大爆炸刚开始的时候，暗物质粒子和暗物质粒子碰撞产生看得见的粒子，但是看得见的普通物质粒子碰撞全部产生暗物质吗？到目前为止，研究表明是不可能的，否则我们就不可能存在，因为物质都变成暗物质了。

所以从逻辑上讲，暗物质和暗物质碰撞肯定会产生看得见的粒子。于是我们通过探测暗物质粒子碰撞所产生的看得见的粒子，去探测看不见的暗物质粒子。

到目前为止，加速器上没有看到暗物质粒子的信号，地下实验也没有看到暗物质粒子的信号，天上也没有看到，但是看到了一些迹象。比如丁肇中先生领导的AMS团队，通过在天上差不多5年多的数据，发现宇宙中，高能正电子流量比理论模型要高。

理论模型预计，正电子流量随着能量的增加，应该往下降。但是在天上发现，随着能量的增加，流量并没有掉下来，反而增加了。这些增加的正电子，是来自于暗物质粒子，还是来自特殊的天体物理过程，我们并不是很清楚。

目前还没有办法下结论，主要原因是探测器不够大、灵敏度不够，观测的能量区间比较低。所以，我们需要一个新的探测器，通过探测天上的高能粒子能量、方向、电荷，鉴别出它的种类，来探测暗物质粒子。这就是我们暗物质卫星提出的主要的背景。

暗物质粒子探测卫星，实际上是一个望远镜。它工作在高能量波段，大概比光学的波段要高1012，所以这么高能量的高能光子和探测器作用以后，它不会产生反射、折射等普通的波的光学性质，高能光子和探测器发生作用后产生正负电子对，我们这个望远镜通过探测正负电子对的方向、能量，来判断天上高能光子的方向和能量。

整个探测器从上到下大概有四层，最顶部是塑料闪烁体探测器，区分粒子的电荷，它是兰州的中国科学院近代物理所做的，中间是硅阵列探测器，这是高能物理所和一些国际合作团队做的。

底下是最主要的探测器——一吨多重的BGO量能器。这个探测器是由中国科学技术大学负责做的，最底下一个中子探测器是紫金山天文台做的，整个四个探测器组合在一起，可以高精度地测量入射粒子的方向、能量、电荷，并鉴别出粒子的种类。10-6

这个探测器，2015年年底发射上天了，到目前为止各项性能工作正常，整个探测器重量是1.4吨多重，功耗600瓦，它工作在什么样的轨道上呢？500公里的太阳同步轨道，太阳从早到晚任何一个方向都能照到这个卫星上，保证这个卫星的温度比较稳定。

探测器由7万多个子探测器组成， 整个探测器是一个大的望远镜，这个大望远镜有七万多路小的传感器组成，所以每一个高能粒子打上去，有7万多个信号出来。根据7万多个信号，我们可以判断入射粒子的能量、方向、电荷。

这个图像就是探测器得到的在x平面、y平面的高能粒子的图像。我们重建入射径迹可以得到入射粒子的方向，然后根据径迹得到顶部的能量沉积，可以得到它的电荷。

这是一个典型的、立体的、三维300多GeV（十亿电子伏特）的高能电子打在望远镜上，产生的一幅图像。整个探测器的性能主要是测量能量、方向、电荷和鉴别出粒子的种类。所以我们探测器的能量分辨，到目前为止在TeV（1000GeV）的地方是1.4%，这个数字比较枯燥，对你们来说没有意义，但是对我们特别重要。

这1.4%比世界上所有在天上飞的卫星，包括电线上的AMS-02的探测器，能量分辨都要高2倍以上。这意味着，在探测谱线或者一些能谱的变化方面特别有用，这是能量测量的世界最高水平。

在电荷测量方面，从氢元素，氢、氦、锂、铍、硼，碳、氮、氧、氟、氖一直到铁，26种元素，其中铁的电荷分辨大概在0.3，这也与世界最高水平相当。

上面这张是我们得到的伽马射线银河系的天图。我们可以看到，银河系是一个盘状的，上面有一些亮的点，这些亮的点就是伽马射线源。根据伽马射线源亮点的大小，我们可以标定出探测器的角分辨水平达到0.2度，在3GeV，这也是与世界最高水平相当。

在粒子鉴别水平方面，这像一个鼓包的东西（见上图第四张曲线图），这是信号，我们要探测它。底下比较低的是本底，我们的信号和本底的比例是50倍，也就是本底只占2%，这是世界最高水平，比日本的CALET大概要高十倍。

也就是说，我们的卫星发射上天，经过标定以后，在能量、方向、电荷，包括粒子鉴别方面，都达到世界最高水平。目前为止，我们大概每天探测500万个高能粒子，目前已经收集到30亿个高能粒子。围绕整个天区，整个宇宙我们扫描了三次。

宇宙的高能电子由于同步辐散和逆康普顿散射等物理过程，高能电子的能量损失得越来越快。这样我们地球上看到的TeV以上的高能电子肯定来自于附近的。

暗物质湮灭的时候，也会产生一个往下掉的过程。但是它往下掉和天体往下掉完全不一样，所以如果我们能精确地测量往下掉，可以来探测宇宙中的暗物质。因为宇宙中天体产生的高能电子流量很低，如果发现TeV以上的流量往下掉，我们就可以通探测这些谱线，来探测暗物质粒子。

还有高能伽马射线空间分布谱线（这些都是暗物质粒子特征信号），因为GeV以上没有其他物理构成能够产生伽马射线谱线，只有暗物质粒子湮灭会产生伽马射线谱线。所以如果我探测到伽马射线谱线，意味着已经找到了暗物质粒子。另外，还可以通过宇宙线其他能谱的精确测量和空间分布，来探测暗物质粒子。

总的来讲，暗物质粒子探测卫星将打开宇宙TeV的窗口。因为TeV以上还没有人在天上进行观测过，我们希望在不远的将来，中国人能够在天上找到暗物质粒子！

谢谢大家。