本篇文章2474字，读完约6分钟
朱惠清绘画
暗物质粒子探测卫星丹皮小组最近在北京发布了第一批科学成果。首席科学家常进宣布，“吴空”号卫星在入轨前530天收集了约28亿条高能宇宙射线，包括约150万条25千兆电子伏以上的电子宇宙射线。基于这些数据，研究人员成功地获得了世界上最精确的电子宇宙线能谱。能谱将有助于发现暗物质的踪迹。
研究结果发表在北京时间2017年11月30日的《自然》在线版上。
为什么
寻找暗物质和研究暗能量是天文学和物理学发展的重要趋势。
天文观测表明，除了人类目前熟悉的普通物质(即可以用标准粒子物理模型解释的物质)之外，宇宙中还有暗物质。
“它们是一种特殊的物质，可能是一种不同于已知粒子(如质子、电子、中子等)的全新粒子。)不参与电磁相互作用。这种物质不发光，也就是说，它不发射电磁波，所以看不见。所以我们称之为暗物质。”中国科学院高能物理研究所研究员兼博士生导师张新民说:“和普通物质一样，暗物质也有引力效应，这使得天文学家能够发现暗物质占宇宙的23%，在0+和73%之间是暗能量。然而，只有4%的“常规物质”构成了我们周围的世界。”
尽管人们早就怀疑暗物质的存在，但暗物质粒子从未被清楚地探测到，因此暗物质的性质无法确定。
目前，寻找暗物质粒子，研究暗能量的物理本质，探索宇宙起源和演化的奥秘，将粒子物理学和宇宙学结合起来，已经成为21世纪天文学和物理学发展的一个重要趋势。世界各国正集中人力、物力和财力来解决关键问题。为什么探测和研究暗物质如此重要？
张新民说:“已经建立了一套完整的理论，即所谓的标准模型，来描述宇宙中4%的物质，即所谓的普通物质。然而，标准模型不能描述宇宙中的暗物质现象。我们仍然需要进一步研究物质的基本成分和结构。然而，暗物质是目前突破标准模型的最确定的观测现象。理解暗物质的本质可能会引导我们进入更深更细的基本粒子结构，以及更深更基本的物质组成规律。另一方面，理解暗物质的性质对于我们理解宇宙演化过程中星系和星系团等大规模结构是如何形成的也具有重要意义。”
怎么
通过空之间的间接探测，发现了暗物质粒子的存在证据。
暗物质之所以“黑暗”，不仅因为它不发光，还因为它太难以捉摸。
“每天可能有数万亿的暗物质高速穿过你的身体，不留任何痕迹，让你完全感受到它。”张新民做了一个比较。56发半自动步枪子弹的射出速度为每秒700米，而这些暗物质粒子的移动速度为每秒220公里，是前者的300多倍。
那么，怎样才能探测到暗物质呢？科学家们对这种物质的可能形式进行了许多理论推测，如惰性中微子暖暗物质、重力中微子暖暗物质、轴子冷暗物质等。
张新民说:“目前，被粒子物理学家研究得最多和青睐的暗物质模型是所谓的弱相互作用重粒子。这种粒子与普通物质的相互作用很弱，是可以探测到的。其他模型不太可能在目前的实验水平上检测到它们，因为它们与普通物质的相互作用较弱。”
目前，探测暗物质粒子的方法主要有三种:间接探测、直接探测和对撞机探测。
间接探测是探测暗物质粒子相互碰撞和湮灭后产生的可见粒子(高能电子)信号。因为暗物质粒子产生的信号非常微弱，所以高能量分辨率、高空分辨率、高统计量和低背景的高能粒子望远镜通常放置在太空而无法探测。
直接探测是原子核与暗物质碰撞产生的信号。然而，在地面上，由于大量的宇宙射线，这些信号会干扰直接探测并影响其识别能力。因此，地下实验室可以帮助探测器“阻挡”干扰，让它“平静下来”工作。
对撞机探测不像前两种那样跟踪暗物质湮灭产生的信号，而是试图通过实验室中的普通粒子创造出暗物质粒子。
常进说:“‘吴空’卫星间属于间接探测空。它的核心任务是寻找宇宙射线和伽马射线辐射中存在暗物质粒子的证据，并进行天体物理学研究。
你发现了什么
发现能谱的精细结构将是天体物理学中的一项开创性发现。
“吴空”卫星于2015年12月17日成功发射，是中国第一颗天文卫星。在它在轨道上的530天里，它平均每秒记录60个高能粒子，平均每天记录500多万个高能粒子。“吴空”卫星采用了中科院紫金山天文台研究人员自主提出的一种新的探测技术来区分粒子类型，实现了高能(5GeV—10TeV)电子和γ射线的“经济适用”观测。
常进说:“1kV = 10亿电子伏，而1TeV=1万亿电子伏；人眼最敏感的可见光能量约为2电子伏特。“吴空号”电子宇宙线卫星的能量测量范围明显高于国外同类卫星(AMS-02，费米—拉脱)
常进进一步解释说:“‘吴空’卫星在‘高能电子和γ射线的能量测量精度’和‘区分不同种类粒子的能力’两项关键技术指标上处于世界领先地位，特别适合于寻找暗物质粒子湮灭过程中产生的一些非常清晰的能谱(能谱是指电子数随能量的变化)信号。此外，由“启蒙空”卫星测量的TeV电子的“纯度”也是最高的(即混合在其中的质子数量是最低的)，并且能谱是高度精确的。”由于“吴空”号卫星的上述优异性能，在电子宇宙线观测方面取得了最好的结果。
专家表示，“启蒙空”卫星有更多的惊喜。
常进说:“‘吴空’卫星首次直接测量到电子宇宙线的扭结能谱在~1TeV，即高能电子的数量突然下降，在能谱分布上形成一个尖锐的凸起。这种扭结反映了宇宙中高能电子辐射源的典型加速能力，其精确的下降行为在确定某些(能量小于1TeV)电子宇宙射线是否来自暗物质方面起着关键作用。”此外，卫星“吴空”的数据初步表明，在~ 1.4电子伏处有一个精细的能谱结构，即突然上升和下降的高能电子的数目急剧变化。
“目前,‘吴空’号卫星运行良好，正在不断收集数据。一旦精细结构得到证实，这将是粒子物理学或天体物理学领域的一项开创性发现。”常进说。
中国科学院院士吴月良说:“新发现的‘吴空能谱精细结构’超出了科学家的常规理解，可能是暗物质粒子存在的新证据”。
作为回应，中国自然科学部主任英格芝博士说，“启蒙空”这一成就显示了中国技术力量发展的一个里程碑。“这项研究中测量所需的精湛技术是无与伦比的，它可能有助于中国解决我们尚未想到的其他技术挑战。”
《明星》(2017年12月1日，第11版)
