北京時(shí)間2017年11月30日凌晨?jī)牲c(diǎn)，《自然》雜志在線發(fā)表一篇來(lái)自中國(guó)的重量級(jí)科研成果，中國(guó)暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星“悟空”號(hào)獲得世界上最精確的高能電子宇宙線能譜，并在1.4TeV(萬(wàn)億電子伏特)處發(fā)現(xiàn)反常結(jié)構(gòu)，揭示宇宙中或存在相應(yīng)質(zhì)量的新粒子。如果這一發(fā)現(xiàn)得以確證，將是粒子物理或天體物理領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的很多理論包括暗物質(zhì)模型都將受到?jīng)_擊。
什么是暗物質(zhì)怎樣探測(cè)暗物質(zhì)
大家都知道，因?yàn)槿f(wàn)有引力的存在，星系團(tuán)內(nèi)所有星系都繞著其中心旋轉(zhuǎn)。每個(gè)星系的運(yùn)動(dòng)速度必須與束縛它的引力達(dá)成平衡才不至出軌；而且引力越強(qiáng)，其運(yùn)動(dòng)速度越快。實(shí)際觀測(cè)卻發(fā)現(xiàn)，星系的轉(zhuǎn)速比根據(jù)牛頓和愛(ài)因斯坦的引力理論計(jì)算的結(jié)果大很多。說(shuō)明宇宙中還存在著一類(lèi)看不見(jiàn)的物質(zhì)，在為星系提供引力。科學(xué)家稱之為“暗物質(zhì)”。
暗物質(zhì)看不見(jiàn)摸不著，也不參與電磁相互作用，因此不能用任何光學(xué)手段直接觀測(cè)。但是它的存在卻關(guān)系著宇宙的演化與發(fā)展、物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和起源、天體的形成和分布，其物理本質(zhì)是目前國(guó)際上粒子物理和天體物理領(lǐng)域的最重大問(wèn)題之一。
科學(xué)家認(rèn)為，暗物質(zhì)粒子相互碰撞，會(huì)產(chǎn)生數(shù)量可觀的（可見(jiàn)的）高能電子和伽馬射線。這些粒子隨著宇宙射線（來(lái)自外太空的高能粒子）中的其他粒子一起，鋪天蓋地向地球襲來(lái)。如果能準(zhǔn)確捕捉到這些粒子的能量、位置分布，將為暗物質(zhì)的存在提供有力證據(jù)。
悟空號(hào)的重大成果
“悟空”號(hào)暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星，就是專為尋找暗物質(zhì)而研制的。它采用中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)研究人員自主提出的分辨粒子種類(lèi)的新探測(cè)技術(shù)方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)宇宙射線中超高能電子、伽馬射線的“經(jīng)濟(jì)實(shí)用型”觀測(cè)。常進(jìn)研究員擔(dān)任衛(wèi)星的首席科學(xué)家。
“悟空”衛(wèi)星在“高能電子、伽馬射線的能量測(cè)量準(zhǔn)確度”以及“區(qū)分不同種類(lèi)粒子的本領(lǐng)”這兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)方面世界領(lǐng)先，尤其適合尋找暗物質(zhì)粒子湮滅過(guò)程產(chǎn)生的一些非常尖銳的能譜（能譜指的是電子數(shù)目隨能量的變化情況）信號(hào)。
“悟空”號(hào)自2015年12月17日發(fā)射升空以來(lái)，在軌工作530天，共采集了約28億顆高能宇宙射線，其中包含約150萬(wàn)顆25GeV以上的電子宇宙射線?；谶@些數(shù)據(jù)科研人員成功獲取了目前國(guó)際上精度最高的電子宇宙射線探測(cè)結(jié)果，如圖1所示。
與之前結(jié)果相比：
1) “悟空”衛(wèi)星的電子宇宙射線的能量測(cè)量范圍比起國(guó)外的空間探測(cè)設(shè)備（AMS-02, Fermi-LAT）有顯著提高，拓展了我們觀察宇宙的窗口。
2) “悟空”衛(wèi)星測(cè)量到的TeV電子的“純凈”程度最高（也就是其中混入的質(zhì)子數(shù)量最少），能譜的準(zhǔn)確性高。
3) “悟空”衛(wèi)星首次直接測(cè)量到了電子宇宙射線能譜在~1 TeV處的拐折，該拐折反映了宇宙中高能電子輻射源的典型加速能力，其精確的下降行為對(duì)于判定部分（能量低于1 TeV）電子宇宙射線是否來(lái)自于暗物質(zhì)起著關(guān)鍵性作用。
尤為重要的是，“悟空”衛(wèi)星的數(shù)據(jù)初步顯示在~1.4 TeV處存在能譜精細(xì)結(jié)構(gòu)。這在理論上都未曾預(yù)料到?。ㄔ撔盘?hào)被專家認(rèn)為可能來(lái)自一種質(zhì)量為1.4TeV的新物理粒子的湮滅，或者某種奇特天體可以加速出單一能量的高能電子）目前“悟空”衛(wèi)星運(yùn)行狀態(tài)良好，正持續(xù)收集數(shù)據(jù)，一旦該精細(xì)結(jié)構(gòu)得以確證，將是粒子物理或天體物理領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)。
圖1：“悟空”衛(wèi)星工作530天得到的高精度宇宙射線電子能譜（紅色數(shù)據(jù)點(diǎn)），以及和美國(guó)費(fèi)米衛(wèi)星測(cè)量結(jié)果（藍(lán)點(diǎn)）、丁肇中先生領(lǐng)導(dǎo)的阿爾法磁譜儀的測(cè)量結(jié)果（綠點(diǎn)）的比較。
科學(xué)家：新發(fā)現(xiàn)揭示了暗物質(zhì)粒子可能存在的新證據(jù)
對(duì)于該次發(fā)現(xiàn)（精確的高能電子宇宙線能譜），暗物質(zhì)衛(wèi)星科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)副總工程師、紫金山天文臺(tái)研究員范一中解釋道：“通常認(rèn)為，電子宇宙射線來(lái)自天體物理源，比如脈沖星、超新星遺跡，但更吸引人的，是它們（中的一部分）可能來(lái)自于暗物質(zhì)的湮滅和衰變。”
一般認(rèn)為，1TeV以下的電子宇宙線能譜中的異常，可能來(lái)自于新天體物理源或暗物質(zhì)的湮滅或衰變，但如果這一說(shuō)法成立，就必須在譜線的高能部分中找到對(duì)應(yīng)于這兩種機(jī)制應(yīng)有的“轉(zhuǎn)折點(diǎn)”（即上文提到的“拐折”）。“轉(zhuǎn)折點(diǎn)”以及其后的能譜下降行為反映了宇宙中高能電子輻射源的典型加速能力，下降行為的精準(zhǔn)測(cè)量可能對(duì)于判定部分（能量低于1TeV）電子宇宙射線是否來(lái)自于暗物質(zhì)起著關(guān)鍵性作用。
由于以往測(cè)得的宇宙射線能譜高能部分不夠?qū)?，因而這種“截?cái)帱c(diǎn)”難以看到?，F(xiàn)在悟空號(hào)最精確的給出了這一數(shù)據(jù)：確實(shí)在1TeV附近存在這種轉(zhuǎn)折。“我們真的很幸運(yùn)，我們的確找到了這個(gè)轉(zhuǎn)折。”范一中說(shuō)到。
原標(biāo)題：“悟空”號(hào)衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)宇宙中或存新粒子，暗物質(zhì)理論受挑戰(zhàn)