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DAMPE数据下暗物质的间接探测技术探析

 摘    要: 20世纪30年代天文学观测对标准宇宙模型提出了严峻挑战,为了调和观测数据与理论模型的矛盾,理论物理学家提出了暗物质理论;此后,实验物理学家据此摸索出了各种暗物质探测方案.本文将从暗物质概念的由来、暗物质基本性质、暗物质探测原理及方法和DAMPE在探测暗物质方面的最新进展几个方面展开介绍.重点以DAMPE的数据为基础,以电子谱分析为核心,在前人的研究基础上,对DAMPE数据和结果进行多层次、多方位的综合,进一步阐述了DAMPE电子谱中出现的TeV拐折和尖锐信号包含的深刻意义;最后依托研究过程中得到的一些信息,对未来暗物质探测实验提出一点看法和见解.
 
  关键词: 暗物质; 宇宙线电子谱; 间接探测; 高空探测; 暗物质粒子探测卫星;
 
  Abstract: In the 1930 s, astronomical observations presented severe challenges to the standard universe model. In order to reconcile the contradiction between observational data and theoretical models, theoretical physicists proposed dark matter theory. Since then, experimental physicists have explored various dark matter detection schemes. This paper introduces the origin of dark matter concept, the basic properties of dark matter, the principle and method of dark matter detection and the latest progress of DAMPE in detecting dark matter. The focus is on DAMPE data, with electronic spectrum analysis as the core, before based on human research, the multi-level and multi-directional synthesis of DAMPE data and results further elaborates the profound significance of Tev inflection and sharp signal in DAMPE electronic spectrum. Finally, relying on some information obtained during the research process, put forward some opinions and insights on future dark matter detection experiments.
 
  Keyword: dark matter; cosmic ray electron spectrum; indirect detection; high altitude detection; DAMPE;
 
  1、 暗物质及其特性和探测方式
 
  1.1 、暗物质概念的提出和相关天文学依据
 
  19世纪的最后一天,开尔文勋爵在着名的世纪末演讲中提到了“两朵乌云”——黑体辐射问题和以太假说,分别催生了量子力学和相对论.一个多世纪过去了,如今物理学也有两朵乌云,那就是暗物质与暗能量之谜.
 
  暗能量理论的提出可以一直追溯到爱因斯坦广义相对论,爱因斯坦在发表广义相对论一年之后的1917年,根据理论计算得出宇宙正在加速膨胀的结论;由于认知的局限性,爱因斯坦引入了引力常数来构造出静态宇宙.后来哈勃望远镜的观测结果表明宇宙确实在加速膨胀,也就是说爱因斯坦引力常数是不需要的,广义相对论能够很好的描述宇宙行为.然而,对于宇宙加速膨胀的原因我们依然不清楚,后来为了解释这个问题提出来暗能量概念及相关理论;到目前为止对暗能量的认识还几乎处于空白,目前能够确定它必须具有负压强性,其他很多方面的性质都还处于探索阶段.[17]
相比与暗能量来说,暗物质的研究要更容易一些;同时,当研究清楚暗物质之后,与暗能量相关的诸多问题,也会变得更加明了.
 
  暗物质理论发端于天文学.20世纪30年代初,瑞士天文学家Fritz Zwicky提出,按照宇宙模型计算,可见物质的引力相互作用不足以维持当前星系的形态[1,2]. 随后, Fritz Zwick 在研究COMA 星系团的时候发现,根据位力定理计算出星系团总质量远大于发光度计算出来的星系团总质量,由此推测出该星系团中可能存在大量不发光的物质且位于星系团核心,并称之为暗物质[1,3].后来,盘星系的旋转曲线、星系团X射线观测、引力透镜等实验的观测结果为暗物质的存在提供有力佐证.最新天文学研究表明:暗物质占宇宙总能量构成的 26.8%, 暗能量占 68.3%, 常规重子物质(可见物质)仅占 4.9%[1].但是,迄今为止,还没有从实验上发现暗物质存在的直接证据,科学界提出多种观测方案,目前正在运行或筹建中[4,5].
 
  1.2 、暗物质的一些已知特性
 
  暗物质难以探测,主要是由其物理性质所决定.暗物质的基本特性主要有以下几点[4,5,6,7,8]:
 
  1) 暗物质在宇宙中占很大的比例,它由有静止质量但是不具有重子性的粒子构成, 它会参与引力相互作用, 能够在万有引力作用下成团, 形成大尺度结构.
 
  2) 构成暗物质的粒子呈电磁中性和“色”中性, 不直接参与电磁相互作用和强相互作用,但不排除存在通过量子扰动跟光子和胶子有耦合的可能性.
 
  3) 构成暗物质的粒子在宇宙学时间尺度(1017s)上稳定,可以认为是绝对稳定的粒子.目前推测其稳定性可能受到某种对称性的约束; 也可能是由于运动学方面的约束而无法衰变到更轻的粒子; 还可能是寿命极长(跟宇宙年龄比较)的不稳定粒子.关于其稳定性的原因,目前有多种理论解释,但是还没有任何一个得到证实.
 
  4) 构成暗物质的粒子为非重子物质.宇宙中重子物质比例很容易利用原初核合成等理论算出,这些理论一直与观测结果符合很好;然而该计算表明重子物质只能贡献宇宙中总物质的很小一部分, 因此宇宙中占主要地位的暗物质部分不能由重子物质组成.
 
  5) 宇宙能够演化到现阶段的必要条件是暗物质粒子做非相对论性运动;也就是说暗物质粒子运动的最大速度必须远远小于光速,因此宇宙中的暗物质都是冷暗物质.
 
  目前,科学家们已经推测,大部分暗物质可能起源于宇宙大爆炸初期,同时超新星爆发等高能过程也可能产生新的暗物质.暗物质的探测和理论研究对于研究宇宙起源有非常重要的意义,此外对宇宙结构、宇宙模型和引力理论的研究也十分重要.
 
  1.3 、暗物质的三种探测方案
 
  虽然暗物质在很多方面不同于任何一种已知物质,但研究表明暗物质与常规物质有微小的引力相互作用,也就是说从实验上探测暗物质的可行性比较高,因此,自暗物质提出以来,科学界一直试图能够在实验上探测到暗物质.广为接受的探测方案可归纳为3类:直接探测、间接探测和对撞机探测[7,9].
 
  直接探测是指探测暗物质粒子和核子碰撞产生的信号.研究表明,暗物质粒子不参与电磁相互作用和强相互作用,但是会参与引力相互作用;那么当暗物质粒子穿过常规物质时会与原子核发生相互作用,虽然该过程不会引起衰变,也不会产生电磁信号,但是一定会产生跟引力相互作用有关的信号,如轴子或其他非正常能量损失;捕捉到这些信号就能够作为暗物质存在的证据.这类实验需要本底抑制,一般都在地下实验室或矿井中进行;中国有世界上最深的地下实验室——锦屏山实验室,直接探测暗物质的能力位于世界前列[10].
 
  对撞机探测是使用对撞机模拟宇宙大爆炸等极端高能物理过程来探测暗物质.在该过程很可能产生暗物质粒子;但是即使暗物质粒子被高能过程“制造”出来我们依然不能直接对其进行捕捉测量,只能通过观测其他粒子的行为来对其进行研究.一般认为,暗物质粒子虽然不能直接测量,但是一定会带走一部分能量,实际上对撞机探测是通过分析体系中粒子的总能量来“捕捉”暗物质,这与当初发现中微子的方法类似.对撞机探测暗物质实质上是探测高能粒子与暗物质粒子碰撞引发的能量不守恒过程,成本高,技术难度大.目前欧洲核子中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)被认为很有可能“创造”出暗物质粒子.总的来说,这类实验探测的结果都可以直接证明暗物质是否存在 [8,9,11].
 
  间接探测是指观测宇宙中暗物质粒子湮灭或衰变产生的宇宙线信号.暗物质间接探测依赖于宇宙线探测技术,宇宙线是指来源于宇宙空间的稳定高能粒子,例如质子、电子、μ子和中微子以及伽马射线等.理论研究发现,宇宙空间中的暗物质湮没也会产生一些粒子混入宇宙线中,例如伽马射线、正电子、电子、反质子、中微子等.20世纪80年代以来,宇宙线探测技术发展很快,各种能谱分析理论已经趋于成熟.研究表明,掺杂在宇宙线中的“暗物质信号”会在宇宙线能谱特别是高能电子谱中呈现出来,具体表现为在宇宙线电子能谱上出现各种非正常波动,一般在图像上表现为“鼓包”或“拐折”,对比宇宙线标准谱即可辨识出这些额外来源,从而间接证明暗物质存在.悟空卫星是目前世界上最先进的暗物质间接探测空间科学卫星之一[7,9,11].
 
  2 、暗物质探测卫星“悟空号”
 
  2.1、 DAMPE(悟空号)基本情况简介
 
  2015年12月,中国成功发射暗物质粒子探测卫星(Dark Matter Particle Explore , DAMPE,中文俗称“悟空号”).DAMPE是中国科学院空间科学战略性先导科技专项的首发卫星,也是中国首颗天文卫星,具有重大历史和科学意义[12].其主要科研目标是通过观测宇宙线寻找和研究暗物质、研究宇宙线起源和伽马天文学.[12,13]DAMPE是目前世界上观测能段最宽,能量分辨率最优的暗物质探测卫星,此外它还有超强的抑制本底能力[14]. 到目前为止,DAMPE已经采集了大量的数据并且通过这些数据得到相关的物理结果.
 
  DAMPE能够实现以上诸多科研目标与它强大的基本功能分不开,主要有测量高能粒子能量、方向和电荷,鉴别粒子种类.探测器的结构及性能参数如下表1和表2所示[12,13,14,15,16].
2.2、 悟空号探测暗物质的原理——暗物质与宇宙线的关系
 
  宇宙间并非一尘不染,科学家观测到来自宇宙间的高能粒子,主要由约90%的质子、9%的α粒子和少量(约1%)的其他重原子核(1<z<28,极少量z>28)以及电子、中微子和高能光子(主要是X射线和γ射线)组成,科学界称之为宇宙线[18].宇宙线的研究对天体物理、高能物理、粒子物理和标准模型等领域有重大意义,宇宙线起源和加速机制等问题的解决能够推动宇宙标准模型和暗物质等领域的研究,对解决宇宙起源之谜、年龄之谜和宇宙结构等物理问题的研究产生重大影响[17,18].
 
  20世纪初,法国人HESS 的气球观测实验正式开启了宇宙线的科学研究,20世纪80年代以来,宇宙线理论和实验研究迅猛发展,探测技术取得很大的进步[19].迄今为止,观测宇宙线的方法主要有地面观测、高山(高原)观测和高空观测.近年来,宇宙线和暗物质的研究都取得巨大的进展,宇宙线作为宇宙信息的信使携带大量的宇宙信息,其中必有暗物质的相关线索,科学界普遍认为利用人造地球卫星观测宇宙线获取暗物质相关信息或可取得突破性进展[21].随着各类高能宇宙线探测器的改进和完善,探测能段和灵敏度不断提高,现今已经有能力辨识“常规”来源的宇宙线,只要宇宙线中掺杂有“暗物质信号”,探测设备就能够在电子能谱上清晰呈现出来[17,18].DAMPE就是基于该目标设计的,一般认为宇宙线的起源是超新星爆发,而如果暗物质存在的话,暗物质湮没时产生的宇宙线,就会成为额外的宇宙线来源,而这些宇宙线会不同于标准模型,多出来的一部分很可能就是源于暗物质湮灭或者衰变.这是一种很好的暗物质间接探测思路,在实际实现上,对宇宙线探测器的灵敏度,分辨率等有较高的要求,而这些要求DAMPE完全都可以达到[6,7,19].
 
  3、 DAMPE的宇宙线电子谱的物理意义
 
  DAMPE自升空至2017年10月底,经过530天采集了大量数据,其中包括约28亿颗高能宇宙线粒子,有150多万例25GeV以上的高能电子;这是迄今为止国际上TeV 能段宇宙线统计量最大的观测,一方面填补了宇宙线探测实验中高能区的空白;更重要的是DAMPE不负众望发现了疑似暗物质存在的证据[6,7].图1所示就是DAMPE采集的宇宙线能谱和其他几个科研团队的能谱的对比.图中的电子能谱分别列出了DAMPE(2017)、HESS(2008)、HESS(2009)、AMS-02(2014)和Femi-LAT(2017) 的观测结果.从能谱来看,在低能段各个实验的流强结果比较一致,事实上低能区的研究已经比较成熟,基本上已经达成共识.在能量为1010eV开始出现差异,DAMPE和HESS的结果很吻合,和其他的有明显差异.本文讨论的“暗物质信号”则出现在图谱的高能区,电子能谱的高能区明显有非正常的谱形,具体有如下两个方面[7,19,20,22]:
 DAMPE首次发布的宇宙线电子数据中一个重要的结果是在1~1.1TeV附近观测到了比较明显的TeV“拐折”,前文已经提到,能谱上的非正常“鼓包”或“拐折”很可能是因为有额外的宇宙线源,而这些“额外”的宇宙线很可能就是暗物质粒子湮灭或者衰变产生的.从图中可以看出,DAMPE 的结果与2008和2009年地面大气切伦科夫望远镜HESS 实验的结果吻合,对当前的 Fermi-LAT 的结果构成了挑战.如今,学界对DAMPE的观测结果能不能作为暗物质存在的证据还存在争议,不过,相信随着理论和实验不断进步完善,必定能很快得到确切的结论[19,20,21].
 
  同时, DAMPE数据显示在1.4 TeV附近有新超出平滑背景预期的尖锐信号;在 1.3~1.5 TeV的狭窄能量区间内观测到了 93个正负电子对(统计置信度为 3.7σ), 比预期的要高一些.一般来说通常的天体不应该产生如此显着的信号, 因此,学界普遍认为该信号来自暗物质的可能性更高一些.中科院研究员周宇峰推测信号来源有两种可能:一是暗物质在宇宙空间中的万有引力作用下聚集在一起湮灭到正负电子对的产生;从能谱上推断该信号源距地球1000光年左右,其附近的天体产生的常规信号从实验上可以一一甄别排除,按照这个思路,后续研究或可验证该猜想.另一个推测认为该信号可能来源于暗物质的“晕结构”,目前没有强有力的佐证.此外也不排除该信号是常规天体通过特殊物理机制产生的可能,得到可靠结论还需要做很多工作[7,19,21,22].
 
  4 、发展与展望
 
  暗物质的存在已经得到了大量天文和宇宙学观测数据的支持, 它表明粒子物理标准模型之外还存在新物理的可能.但是迄今为止尚未找到暗物质确切存在的证据,更没有任何一个实验捕捉到暗物质粒子[7,21].目前国际上很多个科研团队都在不遗余力地试图做出新的突破;就三大探测手段而言,在直接探测领域,目前全世界有数十个暗物质地下探测实验在运行中, 暗物质探测器能够探测的能段不断增大,灵敏度不断提高,极有希望成功揭开暗物质神秘的面纱[16,17,22].对撞机探测技术难度大,成本高;很多对撞机探测实验包括着名的欧洲核子中心目前都没有公布突破性结果.间接探测总样本数量巨大、有效样本事例比例少,且干扰较多,处理起来比较困难.除DAMPE之外近两年没有太大进展.间接探测有巨大的优势,目前宇宙线探测技术进入“黄金五十年”,各大探测项目正在筹备或者建设中,理论上来说它们都具备间接探测暗物质的能力并且很可能取得突破性进展,例如中国四川稻城的高海拔宇宙线观测站LHAASO建成之后将是全世界最先进的三大宇宙线研究中心之一,虽然其主要科研目标不是探测暗物质,但就其先进性而言,也很有希望在暗物质探测中取得重大成就[23].
 
  从整个暗物质探测的发展过程,或者其他任何自然科学研究来看,都很容易发现科学探索设备和技术更新迭代日新月异;比如高空探测,就已经经过了热气球到人造地球卫星的巨大进步,之后肯定还会有更先进的探测手段出现并取代现在所有的人造暗物质探测卫星技术.但是在变的同时,也有很多东西是不变的,比如宇宙线能谱,80年前的HESS用能谱分析问题,如今的DAMPE也还是用能谱解决问题.作为大学生,我们既要关注不断进步的先进研究方法,也要踏实学习方便实用的研究工具;更重要的是练就一双有洞察力的慧眼,能够从万千数据中找到最有价值的结论,能通过数据的表象还原物理现象的图景并且理解表象背后的本质.
 
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