暗物质粒子空间间接探测

常 进

(中国科学院 紫金山天文台,江苏 南京 210034)

0 引言

世界的基本构成单元是物理学研究的核心问题之一。自从有历史记录以来,人类一直在探寻世界是由什么构成的答案。为此,人们在地下建造了大型加速器,从微观层面测量物质的基本构成;也制造了各种孔径尺寸的望远镜,从天上观测不同物质的构成形式,并由此建立了基本粒子的标准物理模型,形成了现代天文学和标准宇宙学的基本框架。

基本粒子的标准物理模型描述了自然界中4种基本相互作用(能量)中的3种,包括强相互作用、电磁相互作用和弱相互作用。该标准模型指出世界的构成材料是3代夸克、轻子和传递其相互作用的规范玻色子。2012年,研究人员利用位于欧洲核子研究组织的大型强子对撞机(LHC)进一步发现了Higgs玻色子[1]。标准模型越来越完整,似乎已完美回答了世界由什么构成的问题。然而,现代宇宙学的观测结果远超出了标准模型的框架,让该问题的答案模糊起来。其中,重要的天文学观测结果包括星系的旋转速度曲线反常[2]和宇宙加速膨胀[3],无法用标准模型下的粒子和相互作用来解释。只有考虑到新的物质形态和相互作用,才可理解这些奇异现象。尤其令人费解的是,这些现象同引力效应之间存在着千丝万缕的联系。这些新的物质形态和能量形式分别被称为暗物质[4]和暗能量[5],它们的存在形式和特征都不明确。

根据物理学研究的特点,想了解一种新物质,需要知道其产生和消亡的方式,这些一般可通过加速器实验[6]得到,因此加速器成为粒子物理研究的有力工具。然而,人类至今还未在任何加速器实验中找到确定暗物质的踪迹,对于暗能量,甚至不知道怎么寻找它们。

宇宙作为天然加速器,具有地面加速器无法比拟的优势。例如：根据标准宇宙学模型[7],宇宙早期处于极高温状态,其中粒子能量超过目前或未来所能建造的最强大加速器能达到的粒子对撞能量。宇宙中的物质形态多样,相互作用复杂,尺度差异巨大,是获取新知识的天然狩猎场。暗物质或暗能量的最初概念也来自于天文学观测。所以,从天文观测中捕捉暗物质粒子或探索其可能的存在形式,逐渐成为研究热点。本文重点介绍我国的暗物质粒子探测卫星“悟空号”在这方面的探索研究。

1 暗物质及其探测方法

1.1 暗物质与暗能量

由现代天文观测与宇宙学模型相结合可知,常规物质只占整个宇宙物质的5%,剩余的95%可能由暗物质和暗能量构成。目前还没有直接观测到暗物质和暗能量,但一些宇宙学观测效应预示了它们的存在。

1933年,ZWICKY 通过测量后发座星系团中星系的速度分布,发现仅依靠可见物质提供的引力,不足以使星系团维持如此高的速度而不散开,为了维持星系团的状态,星系团中必须存在相当数量的不可见物质才能提供足够的引力[8]。1970 年前后的观测发现,在可见物质晕外的银河系盘面的旋转速度并没有减小,而是维持一个近似的恒定速度。这意味着,可能存在1个暗物质晕,其提供的质量与银河系的半径成正比。根据观测数据可推测,这些不发光的物质可能比正常发光物质多4倍。此外,从椭圆星系周围气体发射的X 射线、星系团中星系间热等离子体的速度分布和弱引力透镜效应等也能得到暗物质存在的证据,这些都是基于引力效应观测得到的[9]。最近观测是2004年对子弹星系团的观测。通过X 射线辐射推断,当2 个星系团碰撞时,重子物质碰撞在一起并且减速,位置维持在系统的中心;通过弱引力透镜效应判断,其质量分布集中在系统的外部。系统中正常物质分布和质量分布表明：在星系团内,最大质量来源于不参与碰撞反应且不发光的成分[10]。在子弹状星系团内,该现象可能只有在考虑存在一些非重子种类的暗物质时才能被很好地理解,而不能简单地用引力修正理论来解释。

暗物质的存在决定宇宙的演化过程,是宇宙结构形成的主导因素之一。这些暗物质粒子从大爆炸开始至今,都维持着相当的丰度。这些粒子应该是中性、稳定的粒子,具有和宇宙年龄相当的寿命,且与常规物质的相互作用很弱。标准模型下的粒子不大可能是暗物质粒子。理解暗物质需要将标准模型进行扩展,科学家们提出很多超出标准模型的具有不同特性和相互作用的粒子种类,有些是超对称性模型下的粒子,如中性子[11]或惰性中微子[12]、电子相互作用暗物质、Kaluza-Klein 粒子[13]、自相互作用暗物质[14]、轴子或类轴子[15]、镜像暗物质[16]等。科学家们认为暗物质粒子也可能是由多种成分构成的。

暗能量可能是比暗物质更神秘的物理形式。理论上认为暗能量充斥整个宇宙空间,推动宇宙加速膨胀。暗能量的概念也是自20世纪90年代人类观测到宇宙加速膨胀后,最被物理学界接受的假设之一。根据目前的标准宇宙学模型,暗能量约占宇宙总物质能量的68%,暗物质和正常物质分别占宇宙质能的27%和5%,剩下为中微子、光子等。虽然暗能量的密度很低(约为7×10-30g/cm3),但其充斥了整个空间,所以总量很大。在实验室环境中,如此低的暗能量密度很难被探测到。目前理论认为暗能量可能存在2种形式：1)宇宙学常数[17],表示一种均匀充满空间的能量;2)标量场,如第五元素理论、模量场或其他一些能量密度随空间或时间变化的场,这些标量场的稳恒部分常被认为是宇宙学常数。事实上,宇宙学常数与空间的零点辐射能(真空能)[18]有着密切关系,他们是否为一个物理量目前还没有定论。目前,标量场在空间时间上的变化和宇宙学常数较难区分,因为标量场的变化可能会非常缓慢,显示出类似常数的结果。暗能量的重要特点是具有非常大的负压力,这也是对宇宙加速膨胀的一种解释。

暗物质和暗能量是现代物理学的研究难题,虽然天文学上的观测支持其存在,但只靠探测其引力效应是无法真正确认其是否存在并解释其本质的,还需采用类似粒子物理学的方法进行探测,进而确定其衰变方式。

1.2 暗物质粒子探测方法

目前,了解暗物质性质的实验大致分为3类：

1)直接探测实验。这类实验采用高灵敏度探测器直接进行探测,其基本思路是：当暗物质粒子和探测器物质发生碰撞后,可能引起较低能量的反冲粒子,通常是几个ke V 的量级。在这个过程中,反冲的核子会发射一些能量,如荧光或者声子振荡,这些极小的信号可能被一些非常灵敏的探测器探测到。这类实验要求本底噪声很小,通常在地底深处进行,以减小宇宙线的干扰,探测器多采用低温或惰性液体探测技术。低温探测器运行温度在100 m K 以下,当暗物质粒子通过探测器材料时,探测器对粒子撞击其中原子所产生的热进行测量,从而反推暗物质粒子。惰性液体探测器通过测量粒子在液体氙气或氩气中产生的闪光来测量粒子特性。

2)间接探测实验。通过探测暗物质自湮灭或衰变的产物来研究暗物质的本质。尽管人们还不了解暗物质的本质,但如果暗物质的确是由宇宙早期的高温粒子碰撞产生,且随着宇宙膨胀遵循热退耦的演化过程,则可推断其反过程,即暗物质粒子湮灭到普通物质的过程一定会发生。基于此,在暗物质密度可能较高的地方,暗物质粒子可能会互相碰撞并湮灭成伽马光子或粒子-反粒子对,通过测量这些伽马射线可得到暗物质存在的证据。此外,暗物质粒子本身可能并不稳定,会衰变成标准模型下的粒子。因此,通过测量这些额外的伽马射线、反质子或正电子等,可反推暗物质粒子的形式。这种探测的一个难点是很多的天体物理源可能产生与暗物质粒子类似的信号,因此需要非常精确的测量,且需要其他相关的观测来排除天体物理过程的影响。由目前暗物质的密度可大致推断出宇宙早期暗物质粒子产生和湮灭的概率,即相互作用强度。

3)在人工实验室环境下,通过质子对撞(如LHC)或电子对撞(如新一代等离子光源),尝试制造暗物质粒子。其难点在于目前加速器的能量可能不足以产生暗物质粒子;而在技术层面,由于暗物质粒子和常规探测器物质的相互作用很弱,即使产生了暗物质粒子,也很难被探测到。一种解决办法是通过测量一个事件中从探测器中消失的能量和动量反推粒子的产生和种类。此外,即使探测到了符合暗物质行为的新粒子,其是否为宇宙中的那种暗物质也需要更多证据来验证。

综上所述,暗物质粒子探测在物理上需要综合采用多种手段。只有多种手段都符合暗物质的预期,才能从根本上确定暗物质粒子,这也说明了通过空间间接探测暗物质粒子的重要性和必要性。

2 空间间接探测暗物质

暗物质产生的湮灭信号会叠加到普通的宇宙线本底上,一般其能谱不同于宇宙线本底的能谱,因此高灵敏度的实验有可能探测到这样的信号。间接探测实验最理想的探测对象是反物质粒子,这是因为暗物质湮灭或衰变通常产生等量的正、反粒子,在宇宙空间,恒星、脉冲星、超新星遗迹、吸积中的黑洞等天体可产生并加速各种宇宙线,能量足够高的宇宙线在星系中传播时会与星际介质发生碰撞进而产生反物质宇宙线,但此类反物质宇宙线的流量显著低于对应的正常物质宇宙线的流量,因此在反物质宇宙线中更易认证暗物质信号。比较成熟的区分正反物质的手段是磁谱仪,其原理是：带正负电荷的粒子在磁场下的偏转方向相反。丁肇中先生领导的阿尔法磁谱仪(AMS-02)项目正进行此类研究。但磁谱仪技术难度较高,耗资较大,探测的能段范围受到磁场强度的约束。由于宇宙线中的负电子能谱是正电子的5～20倍,如果正电子能谱中有显著异常,则通过对正负电子宇宙线总能谱的精确测量仍能认证出该成分。因此另一种实验是通过探测宇宙高能(正负)电子探测暗物质粒子,我国的暗物质粒子探测卫星“悟空号”和日本的CALET卫星都属于这类实验。

银河系存在复杂的磁场,高能带电粒子会在磁场中偏转,所以很难通过探测带电粒子得到暗物质的空间分布。为得到暗物质空间分布信息,需要伽马射线望远镜。通过观测伽马射线谱或其他特异结构得到暗物质信号,从而获得空间分布信息,美国FERMI卫星就属于此类实验。我国的暗物质粒子探测卫星也能观测伽马射线,其能量分辨力比美国FERMI卫星高10倍,对于精确测量伽马射线谱具有很大的优势。但其接收度比较低,需要较长的运行时间来发挥其在能量测量方面的优势。

表1列出了目前在轨的暗物质间接探测实验。从表中可看出：国际上空间暗物质粒子间接探测竞争比较激烈,相比其他探测器卫星,我国暗物质粒子探测卫星“悟空号”在能量分辨力、接收度等关键参数上优势明显。截至2019年4月,卫星通过空间间接探测实验已发现了一些暗物质粒子存在的迹象,但仍需要进一步积累数据,并进行更高能量的精确测量,以确定这些信号是来自于暗物质还是其他天体物理过程。例如：在伽马射线观测中,康普顿空间伽马射线天文台上的EGRET 望远镜发现银心伽马射线在GeV 处的观测流量比理论模型高40%左右,有人认为该超高能量可能与暗物质有关,而2009年FERMI卫星上天后证实该超出并不存在。

表1 各空间实验主要性能参数对比Tab.1 Comparison of performance parameters of several space-born experiments

在反物质观测方面,1994—2000 年HEAT 气球实验[19]对正电子能谱及正电子比例的测量结果显示：正电子在8 Ge V 以上有着不同寻常的超出。随后,PAMELA 卫星实验进行了更大能量范围的测量[20],结果显示：10 GeV 以上的正电子比例比通常宇宙线模型计算值高出1个量级。PAMELA 卫星的测量结果引起了人们广泛关注。AMS-02实验公布的0.5～500 Ge V 能量范围的宇宙线正电子比例[21]和正电子流量[22]的测量结果表明：正电子比例存在超出,且可用质量为1.2 Te V 的暗物质粒子的模型拟合,如图1所示,脉冲星模型也可产生类似的结果。AMS-02 测量的反质子数据[23]可用约47 GeV的暗物质粒子模型[15]进行拟合,如图2 所示。因此,为确定产生这些超出正电子的物理过程,需要更高能量和更高精度的测量。

在电子观测方面,2008年基于ATIC 探测器的相关研究报道了宇宙高能电子观测结果[24],即高能电子能量在300～800 Ge V 区间,比理论模型高了近3倍。这些超出可被解释为暗物质粒子湮灭或衰变的产物。ATIC 探测器的结果表明：电子观测的科学意义重大,因此,许多最初观测目的不是电子的探测器都开始进行电子测量。2009年5月,FERMI伽马射线望远镜公布了其半年的电子观测数据[25],发现电子能谱在高能段明显比模型预期的流量偏大,谱指数偏高,意味着存在额外的正、负电子成分,这可能和前文所述的正电子超出具有相同来源。虽然目前针对暗物质的研究已出现较多的理论模型,并得到大量的实验数据,但至今还没有准确的数据来证明暗物质粒子是否存在。

图1 AMS-02测得的正电子流量以及用约1.2 TeV的暗物质粒子拟合的结果Fig.1 Positron flux measured by AMS-02 and fitting result of dark matter particle with energy about 1.2 TeV

图2 AMS-02测得的反质子流量和用47 GeV的暗物质粒子拟合的结果Fig.2 Anti-proton flux measured by AMS-02 and fitting result of dark matter particle with energy of 47 GeV

3 “悟空号”暗物质粒子探测卫星

我国早在20世纪90年代就开始了空间暗物质粒子间接探测实验。1998年,中国科学院紫金山天文台提出了相关科学目标。1999年,研究人员在加速器上验证了相关的关键探测方法,并从2000年开始花了10年时间解决了所有的关键技术。2011年12月,我国首颗暗物质探测卫星“悟空号”立项[26],经过4年研制了4套样机。2012—2015年,卫星探测器在欧洲核子中心进行了详细标定。2015年12月17日,“悟空号”卫星在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功发射,如图3所示。2016年3月,该卫星被交付于中国科学院紫金山天文台,正式进入科学运行阶段。截至2019年4月,该卫星已平稳在轨运行了3年,获得了大量高品质的观测数据。

图3 “悟空号”卫星在酒泉卫星发射中心发射Fig.3 Launch of DAMPE in Jiuquan satellite launching center

“悟空号”卫星的主要目标是在空间探测高能粒子,在暗物质粒子探测、宇宙射线起源和伽马射线天文研究3 个方面取得突破。在暗物质粒子探测方面,“悟空号”卫星要寻找3类特征信号：伽马射线谱线、晕状分布的伽马射线,以及奇异电子能谱结构。这3类信号是暗物质的特征信号,与其他天体物理过程所形成的信号有显著区别,对研究暗物质特别重要。由于宇宙射线成分比较复杂,各种粒子的流量相差很大,如“悟空号”卫星需要观测的高能电子和伽马射线的流量只有质子的1/103和1/106左右。“悟空号”卫星最关键的功能是将流量相差很大的各种高能粒子进行区分并准确测量其物理参数。对于关键物理量(如电荷、能量、方向等),设计时采用2 种独立的测量方式,以保证结果的高可靠性。

“悟空号”卫星的质量为1 850 kg,探测器的质量为1 415 kg,从顶部到底部共有4个子探测器,如图4 所示。由图可见,顶部是塑料闪烁体探测器(PSD),往下依次是硅微条探测器(STK)、锗酸铋量能器(BGO)和中子探测器(NUD)。每个子探测器都有不同功能,4个子探测器协同工作,从而实现对高能电子、伽马射线和宇宙射线粒子的高分辨观测。

图4 “悟空号”卫星探测器组成Fig.4 Constitution of detectors in DAMPE

PSD 的主要功能是测量入射粒子电荷。太空中的粒子多种多样,例如：伽马射线不带电,电荷为0;电子的电荷为-1;正电子的电荷为+1;质子的电荷为+1;从氢到铁的原子核,电荷逐渐增加。因此通过高精度测量入射粒子的电荷可鉴别大多数的粒子。电荷测量的原理是带电粒子在闪烁体中通过电离过程沉积能量,能损率正比于粒子电荷的平方。“悟空号”卫星的PSD 对质子的电荷分辨率是0.12 eV,对于铁的分辨率是0.28 eV,其电荷分辨率与世界上所有空间探测器的最高水平相当。

STK 的主要功能是测量粒子的方向和电荷。STK 的研制水平可用位置分辨精度来表示,“悟空号”卫星上的STK 的位置分辨精度优于60μm,这表明探测器空间分辨水平达到了国际上最先进的伽马射线望远镜的水平。

BGO 是“悟空号”卫星最核心的探测器,其质量超过所有探测器质量的70%。BGO 的主要任务是测量入射粒子的能量和方向,并鉴别粒子的种类。BGO 的能量分辨率在Te V 能段优于1.5%,为国际最高水平,远超世界上所有空间探测器的水平。

NUD 的主要功能是鉴别粒子的物理属性。已知宇宙射线的质子、重核都会与探测器作用产生大量的次级中子,而电子和伽马射线产生的次级中子数目要少很多,根据这一特点,用NUD 来鉴别电子/伽马和原子核。

“悟空号”卫星共有75 916路信号通道,是我国在轨飞行的电子学方面最复杂的卫星。国内参与“悟空号”卫星研制的单位有中国科学院紫金山天文台、中国科学技术大学、中国科学院高能物理研究所、中国科学院近代物理研究所和中国科学院国家空间科学中心;此外,瑞士日内瓦大学和意大利佩鲁贾大学也参与了部分探测器的研制。

4 暗物质粒子探测卫星的在轨运行情况

“悟空号”卫星的轨道为太阳同步轨道,轨道高度为500 km,三轴稳定,指向天顶,每天的数据量约为13 GB。卫星的设计寿命为3年。根据现在的测试结果,所有的探测器工作正常,预计卫星真正在太空服役的时间要远超其设计寿命。“悟空号”卫星每轨运行时间约为95 min,每天绕地球15圈,平均每秒获得60 个高能粒子,每天获得500 万个高能粒子。自发射至今,卫星工作稳定。

为了获取暗物质湮灭可能产生的微小信号,卫星需要具有极高的灵敏度,如电子/质子的排斥比要达到106才能把电子从质子背景中挑选出来。为达到这种接近极限的性能,需对探测器每部分进行细致调节,所以设计中使探测器的一些参数可在轨重新设置,根据不同的条件和测量要求,探测器可选择多种运行模式。虽然探测器在地面上进行了振动测试和热真空测试,但在卫星发射过程中,强烈振动可能会使探测器的结构发生微小形变;卫星在太空运行时,也会受复杂的热环境和轨道环境的影响,其结构、电子学等处于动态变化中。这就需要对探测器进行在线刻度[27],且这种校准和刻度会持续整个探测器的运行期,包括对触发延迟的优化、零压缩数据临界值的判断、触发阈值、探测器增益、最小离子化能量沉积粒子的响应、光波导的衰减、南太平洋异常区的判断、探测器活时间的判定和探测器标定等。

此外,探测器在一个轨道运行过程中,还要经历多次模式切换,一个是校准模式,即当探测器飞行到纬度20°附近时,探测器不采集科学数据,只对电子学的线性和基线进行校正。等待该工作完成后,探测器才切换到数据采集模式。

5 暗物质粒子探测卫星的数据处理和最新结果

“悟空号”卫星前530天的观测数据记录了28亿个高能粒子事例,从中筛选出150万个高能电子,它们覆盖的能段范围为25 Ge V～5 Te V。基于这些事例得到的电子能谱如图5所示。相比于以前的空间实验结果,“悟空号”卫星测得的电子能量最高接近5 Te V,超过了阿尔法磁谱仪(AMS-02)的1 Te V和费米伽马射线空间望远镜的2 Te V,开辟了宇宙观测的新窗口。

图5 宇宙高能电子能谱(“悟空号”卫星前530天的观测数据)Fig.5 Cosmic high-energy electron spectrum(data measured by DAMPE in first 530 days)

“悟空号”卫星直接测量到了电子能谱在约0.9 Te V处的拐折[28],这个拐折澄清了Te V 能区电子的能谱行为,为判断Te V 以下的高能电子宇宙射线是否来自暗物质湮灭提供了关键数据。目前,“悟空号”卫星正在持续积累数据,希望能够通过更多的观测数据最终澄清该现象的物理本质。

6 总结及展望

截至2019年4月,暗物质粒子探测卫星“悟空号”已经延寿2年,将会在太空持续采集数据,进一步降低测量统计和系统的误差,并澄清一些前期实验模糊不清的问题。当然,“悟空号”也面临着一些挑战,如：在高能区,极低的宇宙线能量使数据统计量极少;较高的统计误差限制了结论的置信度等。通过增加探测器面积、增大立体角等可部分解决这些问题,但会使探测器成本剧烈上升,运行难度加大;在高能宇宙线区,宇宙线粒子同探测器的响应复杂,物理描述比较模糊,使数据分析的难度加大。采用新的探测原理、新的数据处理方法,可能会部分解决这些问题。针对暗物质探测,目前的探测器基本运行在地球轨道,探测的信息也被限制在银河系内,造成物理结论的获得受限。暗物质探测是系统工程,必须集中人类最新的研究成果,综合多种手段和多种实验方法在多个层面上进行验证,才有可能解决这些问题。