【视频】2017创新大会 | 常进：探测暗物质

视频来源 | 2017创新大会实录

图片来源 | 常进研究员 PPT

大家好。我主要是介绍一下在空间探测暗物质，或者目前暗物质探测的一些情况，目前是暗物质粒子探测卫星的首席科学家。

刚才上半场几位科学家讲到的事情，让我热血沸腾，下半场要谈什么都忘掉了，我主要介绍一下空间探测暗物质或者目前暗物质探测方面的一些情况。

刚才陈冬航天员介绍，从太阳系边缘看地球，地球就像一个太阳里的浮尘一样，当我们在银河系里看太阳的时候，我们可以看到银河系里大概包含了一千亿个太阳，10的11次方个太阳，太阳在银河系里根本连浮尘都算不上，是一个点。

银河系是一个棒旋星系，包括一根棒，两个大的旋臂，两个大的旋臂又分了好多小的旋臂，银河系里的太阳与银河系中心的距离大概是2.5万光年，银河系里面的发光物质或者气体的分布，大概是10万光年这样的尺度。太阳绕银河系中间转，它多长时间转一圈？2.3亿年，所以你这辈子不可能绕银河系转一圈了。

它们绕的速度，是做圆周运动，每秒钟的速度大概在240公里，这个数字我们国家的LAMOST，也就是北京兴隆山上有一个LAMOST望远镜，是我们国家目前最大的光学望远镜，通过测量大量的恒星光谱，得出太阳的速度是每秒240公里。

我们知道，人绕卫星绕地球转的时候，离地球越近的时候速度越快，离地球越远的时候速度要慢下来，如果在离地球很远的地方它保持高速，肯定跑出地球这样一个系统进入太阳系。

但是太阳绕银河系转，是每秒240公里，根据太阳和银河系中间发光物质的分布，我们可以准确地把它计算出来，大概是每秒160公里，它的速度为什么达到240公里而它保持在太阳这个位置没有飞出去？是因为太阳和河银河系中间存在着大量我们看不见的物质，可能是暗物质。

我们可以测量银河系外围的星云，就是气体绕银河系转的速度，发现它的速度也在200公里左右，根据速度、距离，我们大概地推断出来银河系里的物质分布，大概是发光物质分布的10倍，我们刚才讲了银河系大概有一千亿个恒星，但银河系的物质分布大概是一万亿颗恒星（的质量），还有90％的东西是不发光的，根据旋转曲线，速度对距离的变化的情况推算出整个银河系总的质量是发光物质的10倍左右，大量的物质是不发光的。

这是一个微波背景图像，宇宙大爆炸以后，38万光年以后的宇宙辐射冷却下来的图像，叫微波背景。现在宇宙学进入了精确宇宙学时代，测这个温度我们可以精确到零点零零几个毫K，也就是10-6K的变化，图这上面有亮的，有红一点的，有蓝一点的，看上去相差很大，实际上是把它放大了，温度变化其实只有千分之一左右，这个千分之一的变化，就表示了宇宙中物质分布的情况，有的地方多，有的地方少。

根据这张图，还有结合刚才的旋转曲线，结合X射线观测的情况，还有引力透镜的观测情况，总之有大量的天文观察。现在的最新的结果，总结出来宇宙中我们只弄清了5%，还有95%的是看不见的暗物质和暗能量。其中暗物质大概占26％，接近70%是暗能量，物质成分只占到大概30%。

暗能量是另外一个前沿问题，我今天重点讲暗物质，暗物质在宇宙中是肯定存在的，刚才讲了那么多天文观测结果表明暗物质存在。但是暗物质的物理性质是什么呢？人类到目前为止已经弄清楚了物质成份大概有61种基本粒子组成。其中上帝粒子前几年被发现了，在欧洲核子中心大的加速器通过高能粒子碰撞，上帝粒子碰撞出来并且探测到了，理论（预言）的人已经获得诺贝尔奖。

但是在61种基本粒子和暗物质粒子的物理性质都不吻合，暗物质粒子必须具备什么性质呢？长寿命、质量大，不参与强相互作用、电磁相互作用，只有引力相互作用，可能有弱相互作用，现在还未被证实，但是这61种基本粒子跟它都不吻合，也就是说现在暗物质粒子为什么探测这么热？如果我们在暗物质方面取得突破，那肯定在标准的物理学上面取得突破，这也是研究这么热的原因。

为什么它这么难探测，这里我讲一个故事，是因为不知道它的质量多大。我有个朋友他现在已经退休了，希格斯粒子是上个世纪60年代提出来的，他当时正好是念高能物理的研究生，他的主要研究方向就是寻找希格斯粒子，当时希格斯粒子估计在MeV量级，所以可以在实验室探测到，我们知道实验室核物理实验大部分在MeV左右（所以可以在实验室探测Higgs粒子），后来实验室没探测到，认为可能在几十个MeV，接近GeV，必须要到加速器上去。

他到斯坦福去做博士后，在斯坦福搞了5年还是没探测到，认为希格斯粒子的质量可能在GeV位以上。那时候德国有一个世界上最大的加速器叫DESY，我们知道丁先生诺贝尔奖拿到以后也在DESY做高能物理实验，在那个加速器上找希格斯粒子花了有10年时间还是没找到，认为希格斯粒子的质量可能在几十个GeV，那时候最大的加速器已经搬到欧洲核子中心，也就是瑞士日内瓦和法国交界的地方，建了一个最大的加速器叫LEP对撞机。在那个加速器上又干了十几年，还是没有找到。认为希格斯粒子可能在一百Gev以上。后来在更大的大型强子对撞机建好了，找到了希格斯粒子，但是他已经退休了。

到目前为止，我们不知道暗物质粒子质量究竟多大，但是我们希望这样的故事不要在我们身上发生，我们努力工作，希望能尽快找到暗物质粒子。

暗物质在宏观分布上占宇宙的主要成份，但在微观上（密度）并不强，在地球附近的分布大概在每立方厘米0.3个质子，这个叙述比较枯燥，但是用一个数字可以表示，地球这么大的体积，如果装满了暗物质，按照现在暗物质的密度，大概只有几公斤到几十公斤的暗物质，地球的体积这么大，所以在地球附近找到它是一件很难的事情。

所以现在怎么探测暗物质粒子？大概有三种方法，第一种是在加速器上探测它，通过高温粒子碰撞模拟宇宙大爆炸，将暗物质粒子碰撞出来探测到。目前最大的加速器在哪里？在发现上帝粒子的那个强子对撞机，对撞能量目前已经到了13个TeV，设计是14个TeV。可惜十年下来，在暗物质粒子探测方面没有取得什么成果。

第二种方法是地下直接探测法，通过探测暗物质粒子与普通原子核碰撞。像打台球一样，一个球撞了另外一个求，暗物质本身不可见，但是暗物质碰了另外一个球（原子核）以后，那一个球动一下原子核动一下，就可以探测暗物质粒子，通过探测反冲原子核来探测暗物质粒子。为什么放到地底下？因为这个球动的能量量级大概在KeV到MeV量级，而地面上这样的本底，尤其是宇宙射线，天上来的高能粒子轰击大气，产生的大量的次级粒子也在这个能段里面。所以为了屏蔽这一部分本底，必须把探测器放到地底下，放得越深本底会越低。我们国家将在锦屏山建世界上最深的地下试验室，来探测暗物质粒子，上海交大和北京的清华大学都有实验在那儿做。

第三种方法是空间探测暗物质粒子，因为暗物质粒子来自宇宙大爆炸，在宇宙大爆炸刚开始的时候，暗物质粒子和暗物质粒子碰撞产生看得见的粒子。（在宇宙大爆炸的初期），普通物质粒子碰撞全部产生暗物质吗？显然不可能，否则我们就不可能存在在这里，因为物质都变成暗物质了。暗物质和暗物质碰撞肯定会产生看得见的粒子，在逻辑上这样讲。所以我们通过天上去探测暗物质粒子碰撞所产生的看得见的粒子，去探测看不见的暗物质粒子。

到目前为止，加速器上没有看到暗物质粒子的信号，地下实验也没有看到暗物质粒子的信号，天上也没有看到，但是看到了一些迹象。比如丁肇中先生领导的AMS团队通过天上差不多5年多的数据发现，（发现）宇宙中的高能正电子的流量，比理论模型要高，理论模型预计正电子流量随着能量的增加应该往下去，但是在天上发现，随着能量的增加，流量并没有掉下来，反而增加了。这些增加的正电子是来自于暗物质粒子，还是来自特殊的天体物理过程，我们并不是很清楚。但是还没有办法下结论，主要原因是探测器不够大（灵敏度不够），观测的能量区间比较低，所以我们需要一个新的探测器，通过探测天上的高能粒子能量、方向、电荷，鉴别出它的种类，来探测暗物质粒子。这就是我们暗物质卫星提出的主要的背景。

暗物质卫星，实际上它是一种望远镜，我们可以看到墨子号卫星上有望远镜，地面的测试技术数据也是望远镜。墨子号工作在光学波段，暗物质粒子卫星工作 在特别高能量的，大概比光学的波段要高1012， 这么高能量的高能光子和探测器作用以后，它不会产生反射、折射这些普通的波的光学过程，它和探测器作用以后，大部分是粒子的形式发射，高能光子和探测器发生作用以后产生正负电子对，我们这个望远镜通过探测正负电子对的方向、能量，来判断天上高能光子的方向和能量。

整个探测器从上到下大概有四层，最顶部是塑料闪烁体探测器：区分粒子的电荷，它是兰州中科院近代物理所做的，中间是硅阵列探测器，这是高能物理所和一些国际合作团队做的，底下一个大的、最主要的探测器、一吨多重的BGO量能器。这个探测器是由中国科学技术大学负责做的，最底下一个中子探测器是紫金山天文台做的，整个四个探测器组合在一起，可以高精度地测量入射离子的方向、能量、电荷，并鉴别出粒子的种类。

2015年年底，比墨子号早半年发射上天了，到目前为止各项性能工作正常，整个探测器重量是1.4吨多重，功耗600瓦，工作在什么样的轨道上呢？500公里的太阳同步轨道，太阳从早到晚任何一个方向都可以照到这个卫星上，保证卫星的温度比较稳定。

探测器由7万多个子探测器组成， 整个探测器是一个大的望远镜，有七万多路小的传感器组成，所以每一个高能粒子打上去，有7万多个信号出来。根据7万多个信号，我们可以判断入射粒子的能量、方向、电荷。

这个图像就是探测器得到的在x平面、y平面的高能粒子的图像。然后我们重建（入射）径迹可以得到入射粒子的方向，然后根据径迹得到顶部的能量沉积，可以得到它的电荷，这是一个典型的、立体的、三维300多GeV的高能电子打在望远镜上，会产生这样一幅图像。整个探测器的性能主要是测量能量、方向、电荷和鉴别出粒子的种类。

我们探测器的能量分辨，目前为止在TeV的地方是1.4%，这个数字比较枯燥，对你们来说没有意义，但是对我们特别重要。这1.4%，比世界上所有在天上飞的卫星，包括AMS02探测器，能量分辨都要高2倍以上。这意味着，我们在探测谱线或者能谱的变化特别有用。能量测量，达到世界最高水平。电荷测量，从氢元素，氢氦锂铍硼碳氮氧氟氖一直到铁，26种元素，在铁的电荷分辨大概在0.3，这也和相当于世界最高水平。

底下这张是我们得到的伽马射线，银河系的天图，我们可以看到银河系是一个盘状的上面有一些亮的点，这些亮的点就是伽马射线源，根据伽马射线源亮点的大小，我们可以标定出探测器的角分辨水平，达到0.2度，在3GeV，这也是相当于世界最高水平。粒子鉴别水平，这像一个鼓包的东西，这是信号，我们要探测它，底下比较低的是本底，我们的信号和本底的比例是50倍，也就是本底只占2％，这个水平比世界上最好，也就是日本的CALET的大概要高十倍。我们这个卫星发射上天以后，经过标定以后，在能量、方向、电荷包括粒子鉴别方面，都达到世界最高水平。

目前为止我们大概每天探测500万个高能粒子，目前已经收集到30亿个高能粒子，围绕整个天区，整个宇宙我们扫描了三次。

我们希望在高能电子截断，宇宙的高能电子由于同步辐散和逆康普顿散射等物理过程损失能量，高能电子的能量随着能量的增加损失得越来越快，这样地球上看到的TeV以上的高能电子肯定来自于附近的，就会看到一个截断。

暗物质湮灭的时候，也会产生一个往下掉的过程，但是它往下掉和天体往下掉完全不一样，所以我们精确地测量往下掉（的情况）从而来来探测宇宙中的暗物质。因为流量往下掉了，所以TeV以上，宇宙中天体产生的高能电子的流量很低，所以我们可以通过它探测这些谱线、通过探测谱线来探测暗物质粒子。还有高能伽马射线空间分布、伽马谱线，（这些都是暗物质粒子特征信号），因为GeV以上，没有其他物理构成能够产生伽马射线谱线，只有暗物质粒子湮灭会产生伽马射线谱线。

如果我探测到伽马射线谱线，意味着已经找到了暗物质粒子，还有其他（粒子）能谱的精确测量和空间分布探测暗物质粒子。总之，DAMPE卫星将打开宇宙Tev的窗口， 因为TeV以上，还没有人在天上进行观测过，我们希望在不远的将来，中国人能够在天上找到暗物质粒子。谢谢大家。