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“悟空”获得最精确电子宇宙线能谱

2017-12-12 15:46 物理学 暗物质 暗能量 宇宙射线

图为甘肃酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将暗物质粒子探测卫星“悟空”发射升空的画面。

暗物质粒子探测卫星“悟空”第一篇科学论文在北京时间30日凌晨2点出版的国际学术期刊《自然》在线发表,我国科研人员成功获取了目前国际上精度最高的电子宇宙射线探测结果。据“悟空”首席科学家、中国科学院紫金山天文台副台长常进研究员介绍,“悟空”是世界首个可以在空间观测直至10TeV(1TeV=1万亿电子伏特)能量的电子和伽马射线探测器,打开了暗物质观测的新窗口,让人类寻找暗物质的旅程前进了一大步。

暗物质和暗能量被称为笼罩在现代物理学上空的“两朵乌云”,对暗物质的寻找和研究是粒子物理和天体物理领域最重大的问题之一。“悟空”的核心使命就是在宇宙线和伽马射线辐射中寻找暗物质粒子存在的证据,并进行天体物理研究。

据常进介绍,经过近两年的在轨运行,“悟空”共采集到约28亿高能宇宙射线,其中包含约150万25GeV(1GeV=10亿电子伏特)以上的电子宇宙射线。与费米卫星、阿尔法磁谱仪等国际上已有的空间暗物质探测装置相比,“悟空”有三个特点:

最高能——“悟空”的电子宇宙射线的能量测量范围显著提高。之前,利用气球实验或太空实验进行的直接测量最多只达到2TeV左右,而“悟空”能够检测最高约10TeV的宇宙线电子和正电子。

最纯净——能够最大限度地过滤掉宇宙射线的“杂音”,也就是其中混入的质子数量最少,测量到的TeV电子能谱的准确性高。

最精确——“悟空”对高能电子和伽马射线能量测量最准确。“悟空”首次直接测量到了电子宇宙射线能谱在1TeV处的“拐折”,即超高能电子数目出现了快速减少。常进表示,这与之前地面望远镜阵列实验的结果类似,但“悟空”的结果误差显著减小,置信度高。特别值得一提的是,“悟空”卫星的数据初步显示在1.4TeV能区存在能谱精细结构。常进解释,所谓“精细结构”就是“精确地观测到了电子数量忽然上升随后又下降的尖锐变化”,但“目前我们的数据量还不足以对其进行确认”。“悟空”运行良好,预期还将在轨运行至少3年持续收集数据,“一旦该精细结构得以确认,将是开创性发现”。

 “悟空”于2015年12月17日发射成功,其采用中国科学院紫金山天文台研究人员自主提出的分辨粒子种类的新探测技术方法,“高能电子、伽马射线的能量测量准确度”和“区分不同种类粒子”两项关键技术指标处于世界领先水平,尤其适合寻找暗物质粒子湮灭过程产生的一些非常“尖锐”的能谱,即电子数目随能量突然发生变化的信号,是国际暗物质研究的重要一员。

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