暗物質粒子探測衛（wèi）星“悟空”（DAMPE）團隊日前在（zài）北京發布首（shǒu）批科學成果。首席科學家常進宣布，“悟空”衛星在軌運（yùn）行的前530天共采集了（le）約28億顆高能宇宙射線，其中包含（hán）約150萬顆25GeV以上的電子宇宙射線。基於（yú）這些數據，科研人員（yuán）成功（gōng）獲取了目前國際（jì）上精度最高的電子宇宙射線（xiàn）能譜。該能譜（pǔ）將有助（zhù）於發現暗（àn）物質存在的蛛絲（sī）馬跡。

該成果於北京（jīng）時間2017年（nián）11月30日在《自然》雜誌在線發表（biǎo）。

為啥（shá）探

尋找暗物質、研究暗能量，是天文學（xué）物理學發展的重要趨勢

天文觀測表（biǎo）明，宇宙中除（chú）了人（rén）類目前熟悉的普通物質（也就是標準粒子物理（lǐ）模型能解釋的物質）之外，還存在（zài）暗物質。

“它們是一種特殊的物質，很可能是一種不參與電磁相互作用的、我們已知的粒子（如質子、電子、中子等）之外的全新粒子。這（zhè）種物質不發光，也就是不發出電磁波，所以看不（bú）見。於是，我們就稱它為暗物質。”中科院高能物理所研（yán）究員、博士生（shēng）導師張（zhāng）新民說，“與通常物質一樣，暗物質有引力作用，這讓天文學家在宇宙空間發現暗物質占宇宙的23%，另外73%是暗能量。而組成我們身邊這個（gè）世界的‘常規物質’隻占4%。”

雖然人們（men）早已經猜（cāi）測到暗物質可能存在，但一（yī）直以來從未明（míng）確探測到暗物質粒子，因此還不能確定暗物（wù）質的性質。

目前，尋找暗物質粒子、研究暗能量的物理本質（zhì）、探索宇宙起源及演化的奧（ào）秘、結合粒子物理和宇宙學的研究已成為21世紀天文學和物理學發展的一個重要趨勢。世界各國都在集中人力、物力和財力組織攻關。探測和研究暗物質（zhì）為何如此重要？

張新民（mín）說：“對於（yú）宇宙中4%的物質，即所謂的通常物質（zhì），已經建（jiàn）立了一套完備理論，即所謂標（biāo）準模型進行（háng）描述。但是標準模型（xíng）並不能描述宇宙中暗物質（zhì）的（de）現象，我們對於物質的（de）基本組元、基本結構還有待深入研究。而（ér）暗物質是（shì）目前最（zuì）明確的突破（pò）了標準模型的觀測現象，了解暗物（wù）質的性質就可能帶我（wǒ）們走進（jìn）基本粒子更加深入細微的（de）結構中，了解更加（jiā）深刻、基本的物（wù）質構成規律。另一方麵，了解暗（àn）物質的性（xìng）質對於我們理解像星（xīng）係、星（xīng）係團這樣大尺度的結構如何在宇宙（zhòu）演化過程中形成也同樣有重要意義。”

怎麽探

通過（guò）空間間接（jiē）探測，尋找暗物（wù）質粒子存在證據

暗物質之所以“暗”，不僅是指它不發光，更重要的是它太難捉摸。

“每天可能有幾萬億個暗物質以（yǐ）高速穿過你的身體，且未留下任何痕跡，讓你完（wán）全感受不到。”張新（xīn）民做了個比較，56式半自動步槍子（zǐ）彈出膛（táng）的速度是每秒700米，而這些暗物質粒子卻是以每秒220千米的高速在運動，是前者的300多倍。

那麽，怎麽探測到暗物（wù）質呢？科學家（jiā）們曾對這種物質可能的形態做（zuò）過很（hěn）多理論上的猜測，例如，惰性中微子溫暗物質、引（yǐn）力（lì）微子溫暗物質、軸（zhóu）子冷暗物質（zhì）等。

張新民說：“就目前而言，被研究得最多、也是最被粒子物理學家看好的暗物質模型是所謂弱作用重粒子。這種（zhǒng）粒子與普通物（wù）質有弱相互作用，具有可探測性。其他模型由於與普通物質的相互作用更弱，在目前的實驗水平下能探測到它們的可能性更小。”

目前，探測暗物質粒子的方法主要有3種：間接探測、直接探測以及對撞機探測。

間接探測，是通過探測暗物質粒子相（xiàng）互碰（pèng）撞湮滅（miè）後產生（shēng）的看得見的粒子（高能電子）信號。由於暗物質粒子產生的信號很微弱， 所以一般需要把高（gāo）能量分辨、高空間（jiān）分辨、高統計量、低本底的（de）高能粒子望遠鏡放置在太空來進行（háng）探測。

直（zhí）接探測，是通過探（tàn）測用原子核與暗物質碰撞產生（shēng）的信號。可是在地麵上，因為宇宙射線眾多，這些信號會對直接探測產生幹擾，影響其（qí）鑒別能力。因此，地下實驗室可以幫助探測（cè）器“擋”去幹擾，讓其“靜心”工作。

對撞（zhuàng）機探測則並不像前（qián）兩種那樣去追蹤暗物質湮滅所產生的信號，而是試圖在實驗室中通過普通粒子來創造（zào）暗物質粒子。

常進說：“‘悟空’衛星是屬（shǔ）於空間間接探測，它的核心使命就是在宇宙線和伽馬射（shè）線輻射中尋找暗物質粒子存在的證據，並進行天（tiān）體物理研究。”

探到啥

發現能譜精細結構，將是天體物理的開創性發現

“悟空”衛星於2015年12月17日發射成功，是中國的首（shǒu）顆天文衛星。其在軌運行530天間，平均每秒記錄60個高能粒子，平（píng）均每天記錄500多（duō）萬個高能粒（lì）子。“悟空”衛星采用了中國科學院紫金山天文台研究人員自主提出的分辨粒子種類的（de）新探測技術方法，實現了對高能（5GeV?10TeV）電（diàn）子、伽馬射線（xiàn）的“經濟適用型”觀測。

常進說：“1GeV=10億（yì）電子伏特，而1TeV=1萬億電子伏特；人類眼睛最敏感的（de）可見光的能量約為2電子伏特。‘悟空’衛星對電子宇宙射線（xiàn）的能量測量範圍比起國（guó）外同類空間探測設備（阿爾法（fǎ）磁譜（pǔ）儀（yí）AMS?02， Fermi?LAT）有顯著提高。”

常進進（jìn）一步解（jiě）釋：“‘悟空’衛星在‘高能電子、伽（gā）馬射線的能量測量準（zhǔn）確度’以及‘區分不同種類粒子的本領’這兩項關鍵技術指標（biāo）方麵世界領（lǐng）先，尤其適合尋找暗（àn）物質粒子湮滅過程產生的一些非常尖（jiān）銳的能譜（能譜指的是電子數目隨能量的變化情況）信號。而且，‘悟空’衛（wèi）星測量到的TeV電子的‘純淨’程度也最高（也就是（shì）其中混入的質子數量最少），能譜（pǔ）的準確性高。”因為“悟空”衛星上述的優秀性能，從而獲得了關（guān）於電子宇宙射線觀（guān）測的最好結果。

專家表示，此次“悟空”衛星還（hái）有（yǒu）更驚喜的發現。

常進說：“‘悟空（kōng）’衛星首（shǒu）次直（zhí）接（jiē）測量到了電子宇宙（zhòu）射線能譜在~1TeV處的拐折，也就（jiù）是高能電子數量突然下降，在能譜分布上形成了一個尖銳的凸起。該拐折反映（yìng）了宇宙中高能電子輻（fú）射源的典型加速能力（lì），其精確的下降行為對於判定部分（能量低於1TeV）電子宇宙射線是否來自於暗物質起著（zhe）關鍵（jiàn）性作用。”此外，“悟空”衛星的數據初步顯示在~1.4TeV處（chù）存在能（néng）譜精（jīng）細結構，即高能電子數量忽然上升又下降（jiàng）的尖銳變化。

“目前‘悟空’衛星運（yùn）行狀態良（liáng）好，正持續收集數據，一旦該精細結構得以確證，將是粒子物（wù）理或天體物理領域的開創性發（fā）現（xiàn）。”常進說。

中科（kē）院院士吳嶽良表（biǎo）示，“‘悟空’新發現的能譜精細結構超出了科（kē）學家的常規理解，可能是暗物質（zhì）粒子存在的新證據”。

對此，自然科研中國區科學總監印格致博士表示，“悟空”此次的（de）成果展示了中國技（jì）術實力發展的一個裏程碑，“這次研究中（zhōng）實現的測量所需的精湛技術（shù）是無與倫比的，未來可能會幫助中國（guó）解決其（qí）他我們現在還想不到的技術挑戰。”