【快播報(bào)】“悟空”號(hào)的火眼金睛與暗物質(zhì)線譜搜尋

(資料圖)

早在20世紀(jì)30年代，瑞士天文學(xué)家Fritz Zwicky發(fā)現(xiàn)后發(fā)星系團(tuán)中的星系速度彌散過大，由位力定理可知，僅靠星系團(tuán)中的發(fā)光物質(zhì)無法維持整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定，因此他提出在星系團(tuán)中還存在隨后被稱為暗物質(zhì)的某種不發(fā)光物質(zhì)。這一發(fā)現(xiàn)開啟了人類對(duì)暗物質(zhì)的認(rèn)識(shí)和研究。1970年代，Vera Rubin與合作者測量了仙女星系中氣體旋轉(zhuǎn)速度隨半徑的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)距離星系中心較遠(yuǎn)處旋轉(zhuǎn)速度并未下降而是趨于定值，同樣需要引入暗物質(zhì)才能解釋觀測數(shù)據(jù)。隨后，在宇宙多個(gè)尺度的觀測都一致地揭示了暗物質(zhì)的存在，暗物質(zhì)是現(xiàn)代宇宙學(xué)的核心問題之一。通過近年P(guān)lanck衛(wèi)星對(duì)微波背景輻射的觀測可知，在標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型下，宇宙中僅有約5%的質(zhì)量為普通物質(zhì)，剩下約26%和69%分別為暗物質(zhì)和暗能量。

雖然已經(jīng)有大量天文觀測表明宇宙中存在暗物質(zhì)，但是我們僅探測到其引力效應(yīng)，而對(duì)暗物質(zhì)的粒子性質(zhì)知之甚少。綜合各種觀測，我們目前所知的暗物質(zhì)主要性質(zhì)有：壽命與宇宙年齡相當(dāng)，幾乎不參與電磁與強(qiáng)相互作用，不會(huì)因運(yùn)動(dòng)速度過快而破壞天體結(jié)構(gòu)的形成。這些性質(zhì)排除了粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中各粒子作為暗物質(zhì)候選者的可能性。暗物質(zhì)粒子預(yù)期為某種超出標(biāo)準(zhǔn)模型的粒子。因此，搜尋暗物質(zhì)粒子引力之外的相互作用形式不僅是天文觀測，也是粒子物理最重要的研究課題之一，相關(guān)突破有望擴(kuò)展已知的標(biāo)準(zhǔn)粒子模型而通往“新物理”。

理論物理學(xué)家提出了大量的冷暗物質(zhì)理論模型。在一些模型下，暗物質(zhì)粒子和標(biāo)準(zhǔn)模型粒子之間存在較弱的相互作用，由于宇宙極早期具有較高的溫度，此時(shí)暗物質(zhì)粒子和標(biāo)準(zhǔn)模型粒子可以相互轉(zhuǎn)換并達(dá)到熱平衡。考慮到暗物質(zhì)之間存在的相互作用，即使現(xiàn)在宇宙溫度已經(jīng)下降，可以預(yù)期在暗物質(zhì)密度較高的地方，暗物質(zhì)粒子仍然可以湮滅產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)模型粒子，而這些產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)模型粒子可以進(jìn)一步產(chǎn)生如光子、正電子等穩(wěn)定粒子。在另一些模型下，暗物質(zhì)粒子雖然壽命極長，但仍有概率衰變產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)模型粒子，進(jìn)而產(chǎn)生光子、正電子等穩(wěn)定粒子。通過伽馬射線、宇宙線等觀測，可以搜尋超出天體物理背景預(yù)期的信號(hào)來研究暗物質(zhì)粒子的性質(zhì)，這就是通常所說的暗物質(zhì)間接探測。該方法可以與地下實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的暗物質(zhì)直接探測、高能物理的對(duì)撞機(jī)等獨(dú)立且互補(bǔ)地探究暗物質(zhì)的性質(zhì)。

在利用伽馬射線觀測進(jìn)行的暗物質(zhì)間接探測中，尋找線譜結(jié)構(gòu)具有特殊的意義。一些模型預(yù)言暗物質(zhì)粒子湮滅或者衰變可以形成GeV~TeV能區(qū)的線譜。而對(duì)于已知的天體物理過程，高能輻射與帶電的宇宙線粒子相關(guān)，因?yàn)橛钪婢€粒子加速和能損的過程通常不會(huì)集中于某一個(gè)能量，其產(chǎn)生的伽馬射線輻射是一個(gè)連續(xù)譜。假若我們?cè)谫ゑR射線能區(qū)發(fā)現(xiàn)一條線譜，那將無疑預(yù)示著某種來自暗物質(zhì)或新物理的未知過程。近10年來，科學(xué)家們已經(jīng)利用費(fèi)米衛(wèi)星觀測的銀河系中心、星系團(tuán)和矮星系等多個(gè)區(qū)域的伽馬射線數(shù)據(jù)搜尋GeV~TeV的線譜，限制了暗物質(zhì)的參數(shù)空間。對(duì)于線譜搜尋，探測器的能量分辨率是一個(gè)關(guān)鍵因素。高能量分辨一方面使?jié)撛诘男盘?hào)更為凸顯，另一方面也會(huì)顯著降低系統(tǒng)誤差的影響。費(fèi)米衛(wèi)星雖然具有大的接受度，但是它的能量分辨率弱于6%，具有更強(qiáng)能量分辨率的新探測器將有望更有效地搜尋線譜信號(hào)。

暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星(Dark Matter Particle Explorer，DAMPE，又名“悟空”號(hào))于2015年12月17日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，是空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)(一期)的首發(fā)星。其主要科學(xué)目標(biāo)為通過在空間觀測高能宇宙線和伽馬射線來間接研究暗物質(zhì)粒子的性質(zhì)，并開展宇宙線起源與傳播，以及伽馬射線天文方面的相關(guān)研究。發(fā)射成功后，“悟空”號(hào)衛(wèi)星平臺(tái)、有效載荷均工作正常，運(yùn)行平穩(wěn)。相比于費(fèi)米衛(wèi)星，悟空號(hào)伽馬射線探測的有效面積較小，但最佳能量分辨率優(yōu)于1%，居于世界領(lǐng)先地位，在線譜搜尋方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

作為“悟空”號(hào)合作組首個(gè)伽馬射線數(shù)據(jù)分析工作，合作組分析了前5年的10~300GeV的伽馬射線數(shù)據(jù)來進(jìn)行線譜搜尋。為了進(jìn)一步提升線譜搜尋的靈敏度，合作組構(gòu)造了一個(gè)與線譜靈敏度相關(guān)的探測器參數(shù)，根據(jù)參數(shù)優(yōu)化光子挑選策略，獲得了線譜靈敏度最優(yōu)的數(shù)據(jù)；挑選出在量能器內(nèi)轉(zhuǎn)化的光子事例，并將它們納入到數(shù)據(jù)分析中以提高統(tǒng)計(jì)量；針對(duì)不同的暗物質(zhì)分布，選擇高信噪比的分析天區(qū)。如圖1所示，“悟空”號(hào)的伽馬射線能譜為較光滑的冪率譜，利用“窗口移動(dòng)”的分析方法沒有搜尋到顯著的線譜信號(hào)?；诹憬Y(jié)果，“悟空”號(hào)數(shù)據(jù)可以對(duì)暗物質(zhì)湮滅截面的上限和衰變壽命予以強(qiáng)限制。如圖2所示，“悟空”號(hào)在接受度只有費(fèi)米衛(wèi)星的1/10的條件下獲得了與費(fèi)米衛(wèi)星相當(dāng)?shù)南拗扑健Ｔ诎滴镔|(zhì)衰變情形，100GeV以下能區(qū)比費(fèi)米衛(wèi)星強(qiáng)1倍。該結(jié)果證明了高能量分辨探測器在暗物質(zhì)搜尋方面的發(fā)現(xiàn)潛力。

圖1 選擇區(qū)域內(nèi)的平均伽馬射線能譜

圖2“悟空”號(hào)對(duì)暗物質(zhì)湮滅到雙光子通道的95%截面上限（a）和衰變到光子、中微子的95%衰變壽命下限（b）

雖然在線譜搜尋方面“悟空”號(hào)已具有最靈敏的探測能力，但是其仍未發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)相關(guān)的信號(hào)。暗物質(zhì)粒子到底具有什么樣的性質(zhì)？對(duì)此，科學(xué)家們暫時(shí)還沒有好的答案，期望未來更大面積、更高能量分辨率的伽馬射線望遠(yuǎn)鏡可以帶來更多的線索。

本文來自《科學(xué)通報(bào)》

標(biāo)簽： 暗物質(zhì)粒子 標(biāo)準(zhǔn)模型 能量分辨率 相互作用