悟空衛(wèi)星重大發(fā)現(xiàn)，暗物質(zhì)的尋找迎來突破！暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星是中國科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項中首批立項研制的4顆科學(xué)實驗衛(wèi)星之一，是目前世界上觀測能段范圍寬、能量分辨率的暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星！如果新粒子是暗物質(zhì)，是重大的突破；如果它不是暗物質(zhì)，也是很重要的發(fā)現(xiàn)。因為它甚至不像暗物質(zhì)那樣被理論預(yù)測過。
“發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)了嗎？”11月30日，暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空”公布了首批科學(xué)成果：目前國際上精度的電子宇宙線能譜。而這個問題，是“悟空”首先需要面對的。
對此，暗物質(zhì)衛(wèi)星首席科學(xué)家、紫金山天文臺副臺長常進(jìn)的回答很嚴(yán)謹(jǐn)：只能說，我們找到了一些跡象，還沒有百分百的“發(fā)現(xiàn)”。目前，“悟空”的健康狀態(tài)滿分，還在源源不斷地收集數(shù)據(jù)。只有排除所有的其他可能，才能稱得上“發(fā)現(xiàn)”。
不過，理論物理學(xué)家們已經(jīng)對新的跡象感到興奮。中國科學(xué)院大學(xué)常務(wù)副校長吳岳良院士解讀道，在現(xiàn)有的理論機(jī)制下，天文物理并不能提供合適的解釋。如果更多的數(shù)據(jù)證實了這個跡象，那么“悟空”很可能發(fā)現(xiàn)了一個標(biāo)準(zhǔn)模型以外的新粒子。
“悟空”發(fā)現(xiàn)電子能譜新結(jié)構(gòu)，超出理論預(yù)期
暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空”
中國科學(xué)院院長白春禮甚至給可能的新粒子準(zhǔn)備了一個名字：CAS，即中國科學(xué)院的英文名縮寫?！叭绻铝Ｗ邮前滴镔|(zhì)，是重大的突破；如果它不是暗物質(zhì)，也是很重要的發(fā)現(xiàn)。因為它甚至不像暗物質(zhì)那樣被理論預(yù)測過。”白春禮說道。
常進(jìn)預(yù)期，等到明年的時候，更多的數(shù)據(jù)可能給我們帶來更明朗的答案。
意料中的拐折
“悟空”的“火眼金睛”，本質(zhì)上其實是高能量分辨、高空間分辨、高統(tǒng)計量、低本底的高能粒子望遠(yuǎn)鏡。它尤其關(guān)注三種與暗物質(zhì)有關(guān)的特征信號：伽瑪譜線、暈狀分布伽瑪射線和奇異電子能譜結(jié)構(gòu)。宇宙中的天體物理源，如脈沖星和超新星遺跡，都能產(chǎn)生高能電子。物理學(xué)家們猜測，暗物質(zhì)雖然“看不見”，不參與電磁作用，但暗物質(zhì)粒子可能會像普通粒子一樣湮沒為正負(fù)電子對，或者衰變?yōu)槠渌胀Ｗ?。人類不能直接“看見”暗物質(zhì)，卻可以間接“看見”這些粒子。
為此，科學(xué)家們開始關(guān)注電子宇宙線能譜，即宇宙中不同能量的電子的數(shù)目情況。按照預(yù)期，能譜應(yīng)該平緩下降，即能量越高的電子越少。探測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，能譜卻存在異常：沒有按照預(yù)期的規(guī)律下降，而在接近1TeV(萬億電子伏特)出呈現(xiàn)更加快速的下降。
如果這種異常來自暗物質(zhì)湮滅，那能譜在上升到一定位置，即暗物質(zhì)粒子質(zhì)量后，會出現(xiàn)一個陡峭的截斷。天體物理源同樣會造成能譜上的拐折，卻是比較平緩的變化。
“悟空”發(fā)現(xiàn)電子能譜新結(jié)構(gòu)，超出理論預(yù)期
0.9TeV處出現(xiàn)的拐折
以往的探測設(shè)備的探測能段沒有覆蓋1TeV以上的區(qū)域。2005，常進(jìn)在中美合作的南極氣球?qū)嶒炆习l(fā)現(xiàn)了拐折的跡象。只是，測量的精度不高，系統(tǒng)誤差較大，沒有得到廣泛的認(rèn)可。
正因如此，美國的費(fèi)米衛(wèi)星、丁肇中領(lǐng)導(dǎo)的阿爾法磁譜儀，都以1TeV為核心探測區(qū)域。而悟空相比這些前輩的優(yōu)勢，在于世界寬的能段范圍，和的分辨能力。
“悟空”的確在這個位置直接探測到了拐折。從圖像上看，在1TeV之前的下降較為平緩，在1TeV之后的下降更為明顯。暗物質(zhì)衛(wèi)星科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)副總師、紫金山天文臺研究員范一中解釋道，這個結(jié)果，依然可以用暗物質(zhì)模型解釋，但也讓簡單的暗物質(zhì)模型受到了挑戰(zhàn)。
范一中舉了個例子說，也許暗物質(zhì)粒子并非直接湮滅為電子對，而是先湮滅為μ子，再進(jìn)行衰變，這樣的話，能譜變化的趨勢就會更為平緩。總之，“悟空”的數(shù)據(jù)精度史上，也給理論物理學(xué)家們提出了更多的參數(shù)限制。
意料外的超出
1TeV出的拐折，置信度達(dá)到了6.6個σ。不過，在“悟空”提供的高能電子宇宙線能譜上，人們眼可能不會注意到這個拐折：1.4TeV處，有更為醒目的超出點。
范一中回憶道，2016年5月，常進(jìn)的電腦上次出現(xiàn)了這個跡象：“我們既驚喜又擔(dān)心。驚喜的是這可能是個新的重大發(fā)現(xiàn)的苗頭。擔(dān)心的是測量不夠準(zhǔn)確。”
日前，一項中微子實驗項目引起了科學(xué)家的注意，因為在多個中微子實驗項目中都檢測到了疑似輕子電荷共軛-宇稱破壞(CP violation)的跡象，這項發(fā)現(xiàn)將有望幫助科學(xué)家們解釋一個重要的本質(zhì)問題——為何我們的宇宙是由物質(zhì)組成，而非反物質(zhì)組成的？
直到目前，“悟空”仍在源源不斷地收集新的數(shù)據(jù)，以用更多數(shù)據(jù)來排除統(tǒng)計上波動的可能性。不過，范一中強(qiáng)調(diào)，一旦這個超出被后續(xù)的數(shù)據(jù)確認(rèn)，理論物理學(xué)家們面臨的選擇是不多的：“這個能量很高，速度只比光速慢十萬億分之一。由于粒子在宇宙中傳播，能量損失很快，說明這個信號源距離地球很近。此外，信號源產(chǎn)生了準(zhǔn)單能的電子譜。在地面上，科學(xué)家們可以利用對撞機(jī)、地調(diào)整參數(shù)產(chǎn)生類似的電子。在宇宙中，到底是怎么樣的一個信號源呢？”
“悟空”發(fā)現(xiàn)電子能譜新結(jié)構(gòu)，超出理論預(yù)期
1.4TeV處的尖銳能譜
吳岳良解讀道，暗物質(zhì)聚集在距離比較近的中等質(zhì)量黑洞周圍，就可以成為一個連續(xù)產(chǎn)生高能電子的信號源。它會呈現(xiàn)一定寬度的尖銳能譜，其寬度由源的距離決定。
據(jù)估計，銀河系中大約有數(shù)百個中等質(zhì)量黑洞，結(jié)合光子譜和光子通量的計算，滿足相關(guān)條件的信號源候選者有6個。
除此之外，鄰近的天體物理活動，比如脈沖星云或超新星遺跡，可以短暫地產(chǎn)生加速電子。電子冷卻后在某個能量處截斷，呈現(xiàn)一定寬度的尖銳能譜，其寬度由源的距離和壽命決定。
不過，從一些其他的限定條件來看，除非有新的機(jī)制，否則尖銳能譜的天體物理解釋將不是合適的選項。
也就是說，“悟空”發(fā)現(xiàn)的尖銳能譜，可能是暗物質(zhì)粒子存在的新證據(jù)。
發(fā)現(xiàn)新粒子了嗎？
回到文章開頭的問題。常進(jìn)在發(fā)布會上對包括澎湃新聞在內(nèi)的媒體表示，1TeV處拐折的置信度6.6σ，可以達(dá)到“發(fā)現(xiàn)”的級別，而置信度3.7σ的1.4TeV處尖銳能譜只能說是一個證據(jù)。
自然科研中國區(qū)科學(xué)總監(jiān)印格致(EdGerstner)補(bǔ)充說道，高能物理就是這樣“又激動又沮喪”，每當(dāng)一個信號出現(xiàn)，大家都會期待地問：“我們找到新粒子了嗎？”，科學(xué)家們只能說：“可能吧?！苯又盘栐俅纬霈F(xiàn)，大家又期待地問：“我們找到新粒子了嗎？”科學(xué)家們還是只能說：“可能吧”。直到信號重復(fù)地出現(xiàn)，經(jīng)過大量分析，終于有，科學(xué)家會出來說：“我們找到了！”
暗物質(zhì)的理論模型并不精細(xì)，可以說，只是一個概念。這意味著，“悟空”發(fā)現(xiàn)的疑似新粒子，甚至都不一定是暗物質(zhì)粒子。
白春禮給可能存在的新粒子提前取好了名字，CAS，即中國科學(xué)院的英文名縮寫。“如果新粒子是暗物質(zhì)，是重大的突破；如果它不是暗物質(zhì)，也是很重要的發(fā)現(xiàn)。因為它甚至不像暗物質(zhì)那樣被理論預(yù)測過?！?/p>
“歐洲核子中心撞出希格斯玻色子花了一百億美元，我們的‘悟空’連1億美元都沒有?！卑状憾Y笑著說道。
