DAMPE數(shù)據(jù)下暗物質的間接探測技術探析,天文學論文

DAMPE數(shù)據(jù)下暗物質的間接探測技術探析,天文學論文摘要：20世紀30年代天文學觀測對標準宇宙模型提出了嚴峻挑戰(zhàn),為了調和觀測數(shù)據(jù)與理論模型的矛盾,理論物理學家提出了暗物質理論;此后,實驗物理學家據(jù)此探索出了各種暗物質探測方案.本文將從暗物質概念的來歷、暗物質基本性質、暗物質探測原理及方式方法和DAMPE在探測暗物質方面的最新進展幾個方面展開介紹.重點以DAMPE的數(shù)據(jù)為基礎,以電子譜分析為核心,在前人的研究基礎上,對DAMPE數(shù)據(jù)和結果進行多層次、多方位的綜合,進一步闡述了DAMPE電子譜中出現(xiàn)的TeV拐折和尖銳信號包含的深入意義;最后依托研究經過中得到的一些信息,對將來暗物質探測實驗提出一點看法和見解.本文本文關鍵詞語語：暗物質;宇宙線電子譜;間接探測;高空探測;暗物質粒子探測衛(wèi)星;Abstract：Inthe1930s,astronomicalobservationspresentedseverechallengestothestandarduniversemodel.Inordertoreconcilethecontradictionbetweenobservationaldataandtheoreticalmodels,theoreticalphysicistsproposeddarkmattertheory.Sincethen,experimentalphysicistshaveexploredvariousdarkmatterdetectionschemes.Thispaperintroducestheoriginofdarkmatterconcept,thebasicpropertiesofdarkmatter,theprincipleandmethodofdarkmatterdetectionandthelatestprogressofDAMPEindetectingdarkmatter.ThefocusisonDAMPEdata,withelectronicspectrumanalysisasthecore,beforebasedonhumanresearch,themulti-levelandmulti-directionalsynthesisofDAMPEdataandresultsfurtherelaboratestheprofoundsignificanceofTevinflectionandsharpsignalinDAMPEelectronicspectrum.Finally,relyingonsomeinformationobtainedduringtheresearchprocess,putforwardsomeopinionsandinsightsonfuturedarkmatterdetectionexperiments.Keyword：darkmatter;cosmicrayelectronspectrum;indirectdetection;highaltitudedetection;DAMPE;1、暗物質及其特性和探測方式1.1、暗物質概念的提出和相關天文學根據(jù)19世紀的最后一天,開爾文勛爵在著名的世紀末演講中提到了兩朵烏云黑體輻射問題和以太假講,分別催生了量子力學和相對論.一個多世紀過去了,如今物理學也有兩朵烏云,那就是暗物質與暗能量之謎.暗能量理論的提出能夠一直追溯到愛因斯坦廣義相對論,愛因斯坦在發(fā)表廣義相對論一年之后的1917年,根據(jù)理論計算得出宇宙正在加速膨脹的結論;由于認知的局限性,愛因斯坦引入了引力常數(shù)來構造出靜態(tài)宇宙.后來哈勃望遠鏡的觀測結果表示清楚宇宙確實在加速膨脹,也就是講愛因斯坦引力常數(shù)是不需要的,廣義相對論能夠很好的描繪敘述宇宙行為.然而,對于宇宙加速膨脹的原因我們仍然不清楚,后來為了解釋這個問題提出來暗能量概念及相關理論;到當下為止對暗能量的認識還幾乎處于空白,當下能夠確定它必須具有負壓強性,其他很多方面的性質都還處于探尋求索階段.[17]相比與暗能量來講,暗物質的研究要更容易一些;同時,當研究清楚暗物質之后,與暗能量相關的眾多問題,也會變得愈加明了.暗物質理論發(fā)端于天文學.20世紀30年代初,瑞士天文學家FritzZwicky提出,根據(jù)宇宙模型計算,可見物質的引力互相作用缺乏以維持當下星系的形態(tài)[1,2].隨后,FritzZwick在研究COMA星系團的時候發(fā)現(xiàn),根據(jù)位力定理計算出星系團總質量遠大于發(fā)光度計算出來的星系團總質量,由此揣測出該星系團中可能存在大量不發(fā)光的物質且位于星系團核心,并稱之為暗物質[1,3].后來,盤星系的旋轉曲線、星系團X射線觀測、引力透鏡等實驗的觀測結果為暗物質的存在提供有力佐證.最新天文學研究表示清楚:暗物質占宇宙總能量構成的26.8%,暗能量占68.3%,常規(guī)重子物質(可見物質)僅占4.9%[1].但是,迄今為止,還沒有從實驗上發(fā)現(xiàn)暗物質存在的直接證據(jù),科學界提出多種觀測方案,當下正在運行或籌建中[4,5].1.2、暗物質的一些已經知道特性暗物質難以探測,主要是由其物理性質所決定.暗物質的基本特性主要有下面幾點[4,5,6,7,8]:1)暗物質在宇宙中占很大的比例,它由有靜止質量但是不具有重子性的粒子構成,它會介入引力互相作用,能夠在萬有引力作用下成團,構成大尺度構造.2)構成暗物質的粒子呈電磁中性和色中性,不直接介入電磁互相作用和強互相作用,但不排除存在通過量子擾動跟光子和膠子有耦合的可能性.3)構成暗物質的粒子在宇宙學時間尺度(1017s)上穩(wěn)定,能夠以為是絕對穩(wěn)定的粒子.當下揣測其穩(wěn)定性可能遭到某種對稱性的約束;可以能是由于運動學方面的約束而無法衰變到更輕的粒子;還可能是壽命極長(跟宇宙年齡比擬)的不穩(wěn)定粒子.關于其穩(wěn)定性的原因,當下有多種理論解釋,但是還沒有任何一個得到證實.4)構成暗物質的粒子為非重子物質.宇宙中重子物質比例很容易利用原初核合成等理論算出,這些理論一直與觀測結果符合很好;然而該計算表示清楚重子物質只能奉獻宇宙中總物質的很小一部分,因而宇宙中占主要地位的暗物質部分不能由重子物質組成.5)宇宙能夠演化到現(xiàn)前階段的必要條件是暗物質粒子做非相對論性運動;也就是講暗物質粒子運動的最大速度必須遠遠小于光速,因而宇宙中的暗物質都是冷暗物質.當下,科學家們已經揣測,大部分暗物質可能起源于宇宙大爆炸初期,同時超新星爆發(fā)等高能經過可以能產生新的暗物質.暗物質的探測和理論研究對于研究宇宙起源有非常重要的意義,除此之外對宇宙構造、宇宙模型和引力理論的研究也特別重要.1.3、暗物質的三種探測方案固然暗物質在很多方面不同于任何一種已經知道物質,但研究表示清楚暗物質與常規(guī)物質有微小的引力互相作用,也就是講從實驗上探測暗物質的可行性比擬高,因而,自暗物質提出以來,科學界一直試圖能夠在實驗上探測到暗物質.廣為接受的探測方案可歸納為3類:直接探測、間接探測和對撞機探測[7,9].直接探測是指探測暗物質粒子和核子碰撞產生的信號.研究表示清楚,暗物質粒子不介入電磁互相作用和強互相作用,但是會介入引力互相作用;那么當暗物質粒子穿過常規(guī)物質時會與原子核發(fā)生互相作用,固然該經過不會引起衰變,也不會產生電磁信號,但是一定會產生跟引力互相作用有關的信號,如軸子或其他非正常能量損失;捕捉到這些信號就能夠作為暗物質存在的證據(jù).這類實驗需要本底抑制,一般都在地下實驗室或礦井中進行;中國有世界上最深的地下實驗室錦屏山實驗室,直接探測暗物質的能力位于世界前列[10].對撞機探測是使用對撞機模擬宇宙大爆炸等極端高能物理經過來探測暗物質.在該經過很可能產生暗物質粒子;但是即便暗物質粒子被高能經過制造出來我們仍然不能直接對其進行捕捉測量,只能通過觀測其他粒子的行為來對其進行研究.一般以為,暗物質粒子固然不能直接測量,但是一定會帶走一部分能量,實際上對撞機探測是通過分析體系中粒子的總能量來捕捉暗物質,這與當初發(fā)現(xiàn)中微子的方式方法類似.對撞機探測暗物質本質上是探測高能粒子與暗物質粒子碰撞引發(fā)的能量不守恒經過,成本高,技術難度大.當下歐洲核子中心(CERN)的大型強子對撞機(LHC)被以為很有可能創(chuàng)造出暗物質粒子.總的來講,這類實驗探測的結果都能夠直接證明暗物質能否存在[8,9,11].間接探測是指觀測宇宙中暗物質粒子湮滅或衰變產生的宇宙線信號.暗物質間接探測依靠于宇宙線探測技術,宇宙線是指來源于宇宙空間的穩(wěn)定高能粒子,例如質子、電子、子和中微子以及伽馬射線等.理論研究發(fā)現(xiàn),宇宙空間中的暗物質湮沒也會產生一些粒子混入宇宙線中,例如伽馬射線、正電子、電子、反質子、中微子等.20世紀80年代以來,宇宙線探測技術發(fā)展很快,各種能譜分析理論已經趨于成熟.研究表示清楚,摻雜在宇宙線中的暗物質信號會在宇宙線能譜十分是高能電子譜中呈現(xiàn)出來,詳細表現(xiàn)為在宇宙線電子能譜上出現(xiàn)各種非正常波動,一般在圖像上表現(xiàn)為鼓包或拐折,比照宇宙線標準譜即可辨識出這些額外來源,進而間接證明暗物質存在.悟空衛(wèi)星是當下世界上最先進的暗物質間接探測空間科學衛(wèi)星之一[7,9,11].2、暗物質探測衛(wèi)星悟空號2.1、DAMPE(悟空號)基本情況簡介2021年12月,中國成功發(fā)射暗物質粒子探測衛(wèi)星(DarkMatterParticleExplore,DAMPE,中文俗稱悟空號).DAMPE是中國科學院空間科學戰(zhàn)略性先導科技專項的首發(fā)衛(wèi)星,也是中國首顆天文衛(wèi)星,具有重大歷史和科學意義[12].其主要科研目的是通過觀測宇宙線尋找和研究暗物質、研究宇宙線起源和伽馬天文學.[12,13]DAMPE是當下世界上觀測能段最寬,能量分辨率最優(yōu)的暗物質探測衛(wèi)星,除此之外它還有超強的抑制本底能力[14].到當下為止,DAMPE已經采集了大量的數(shù)據(jù)并且通過這些數(shù)據(jù)得到相關的物理結果.DAMPE能夠實現(xiàn)以上眾多科研目的與它強大的基本功能分不開,主要有測量高能粒子能量、方向和電荷,鑒別粒子種類.探測器的構造及性能參數(shù)如下表1和表2所示[12,13,14,15,16].表1DAMPE的部分構造和功能構造[12,13,14,15,16]12-16]表2DAMPE的部分參數(shù)[12,13,14,15,16]12-16]2.2、悟空號探測暗物質的原理暗物質與宇宙線的關系宇宙間并非一干二凈,科學家觀測到來自宇宙間的高能粒子,主要由約90%的質子、9%的粒子和少量(約1%)的其他重原子核(1z28,極少量z28)以及電子、中微子和高能光子(主要是X射線和射線)組成,科學界稱之為宇宙線[18].宇宙線的研究對天體物理、高能物理、粒子物理和標準模型等領域有重大意義,宇宙線起源和加速機制等問題的解決能夠推動宇宙標準模型和暗物質等領域的研究,對解決宇宙起源之謎、年齡之謎和宇宙構造等物理問題的研究產生重大影響[17,18].20世紀初,法國人HESS的氣球觀測實驗正式開啟了宇宙線的科學研究,20世紀80年代以來,宇宙線理論和實驗研究迅猛發(fā)展,探測技術獲得很大的進步[19].迄今為止,觀測宇宙線的方式方法主要有地面觀測、高山(高原)觀測和高空觀測.近年來,宇宙線和暗物質的研究都獲得宏大的進展,宇宙線作為宇宙信息的信使攜帶大量的宇宙信息,華而不實必有暗物質的相關線索,科學界普遍以為利用人造地球衛(wèi)星觀測宇宙線獲取暗物質相關信息或可獲得突破性進展[21].隨著各類高能宇宙線探測器的改良和完善,探測能段和靈敏度不斷提高,現(xiàn)今已經有能力辨識常規(guī)來源的宇宙線,只要宇宙線中摻雜有暗物質信號,探測設備就能夠在電子能譜上清楚明晰呈現(xiàn)出來[17,18].DAMPE就是基于該目的設計的,一般以為宇宙線的起源是超新星爆發(fā),而假如暗物質存在的話,暗物質湮沒時產生的宇宙線,就會成為額外的宇宙線來源,而這些宇宙線會不同于標準模型,多出來的一部分很可能就是源于暗物質湮滅或者衰變.這是一種很好的暗物質間接探測思路,在實際實現(xiàn)上,對宇宙線探測器的靈敏度,分辨率等有較高的要求,而這些要求DAMPE完全都能夠到達[6,7,19].3、DAMPE的宇宙線電子譜的物理意義DAMPE自升空至2021年10月底,經過530天采集了大量數(shù)據(jù),華而不實包括約28億顆高能宇宙線粒子,有150多萬例25GeV以上的高能電子;這是迄今為止國際上TeV能段宇宙線統(tǒng)計量最大的觀測,一方面填補了宇宙線探測實驗中高能區(qū)的空白;更重要的是DAMPE不負眾望發(fā)現(xiàn)了疑似暗物質存在的證據(jù)[6,7].圖1所示就是DAMPE采集的宇宙線能譜和其他幾個科研團隊的能譜的比照.圖中的電子能譜分別列出了DAMPE(2021)、HESS(2008)、HESS(2018)、AMS-02(2020)和Femi-LAT(2021)的觀測結果.從能譜來看,在低能段各個實驗的流強結果比擬一致,事實上低能區(qū)的研究已經比擬成熟,基本上已經達成共鳴.在能量為1010eV開場出現(xiàn)差異,DAMPE和HESS的結果很吻合,和其他的有明顯差異.本文討論的暗物質信號則出如今圖譜的高能區(qū),電子能譜的高能區(qū)明顯有非正常的譜形,詳細有如下兩個方面[7,19,20,22]:圖1悟空號與國際上其他科研組宇宙線能譜的比照[7,19,20,22,]DAMPE初次發(fā)布的宇宙線電子數(shù)據(jù)中一個重要的結果是在1～1.1TeV附近觀測到了比擬明顯的TeV拐折,前文已經提到,能譜上的非正常鼓包或拐折很可能是由于有額外的宇宙線源,而這些額外的宇宙線很可能就是暗物質粒子湮滅或者衰變產生的.從圖中能夠看出,DAMPE的結果與2008和2018年地面大氣切倫科夫望遠鏡HESS實驗的結果吻合,對當下的Fermi-LAT的結果構成了挑戰(zhàn).如今,學界對DAMPE的觀測結果能不能作為暗物質存在的證據(jù)還存在爭議,不過,相信隨著理論和實驗不斷進步完善,必定能很快得到確切的結論[19,20,21].同時,DAMPE數(shù)據(jù)顯示在1.4TeV附近有新超出平滑背景預期的尖銳信號;在1.3～1.5TeV的狹窄能量區(qū)間內觀測到了93個正負電子對(統(tǒng)計置信度為3.7),比預期的要高一些.一般來講通常的天體不應該產生如此顯著的信號,因而,學界普遍以為該信號來自暗物質的可能性更高層次層次一些.中科院研究員周宇峰揣測信號來源有兩種可能:一是暗物質在宇宙空間中的萬有引力作用下聚集在一起湮滅到正負電子對的產生;從能譜上推斷該信號源距地球1000光年左右,其附近的天體產生的常規(guī)信號從實驗上能夠逐一甄別排除,根據(jù)這個思路,后續(xù)研究或可驗證該猜測.另一個揣測以為該信號可能來源于暗物質的暈構造,當下沒有強有力的佐證.除此之外也不排除該信號是常規(guī)天體通過特殊物理機制產生的可能,得到可靠結論還需要做很多工作[7,19,21,22].4、發(fā)展與瞻望暗物質的存在已經得到了大量天文和宇宙學觀測數(shù)據(jù)的支持,它表示清楚粒子物理標準模型之外還存在新物理的可能.但是迄今為止尚未找到暗物質確切存在的證據(jù),更沒有任何一個實驗捕捉到暗物質粒子[7,21].當下國際上很多個科研團隊都在不遺余力地試圖做出新的突破;就三大探測手段而言,在直接探測領域,當下全世界有數(shù)十個暗物質地下探測實驗在運行中,暗物質探測器能夠探測的能段不斷增大,靈敏度不斷提高,極有希望成功揭開暗物質神秘的面紗[16,17,22].對撞機探測技術難度大,成本高;很多對撞機探測實驗包括著名的歐洲核子中心當下都沒有頒布突破性結果.間接探測總樣本數(shù)量宏大、有效樣本事例比例少,且干擾較多,處理起來比擬困難.除DAMPE之外近兩年沒有太大進展.間接探測有宏大的優(yōu)勢,當下宇宙線探測技術進入黃金五十年,各大探測項目正在籌備或者建設中,理論上來講它們都具備間接探測暗物質的能力并且很可能獲得突破性進展,例如中國四川稻城的高海拔宇宙線觀測站LHAASO建成之后將是全世界最先進的三大宇宙線研究中心之一,固然其主要科研目的不是探測暗物質,但就其先進性而言,也很有希望在暗物質探測中獲得重大成就[23].從整個暗物質探測的發(fā)展經過,或者其他任何自然科學研究來看,都很容易發(fā)現(xiàn)科學探尋求索設備和技術更新迭代日新月異;比方高空探測,就已經經過了熱氣球到人造地球衛(wèi)星的宏大進步,之后肯定還會有更先進的探測手段出現(xiàn)并取代如今所有的人造暗物質探測衛(wèi)星技術.但是在變的同時,也有很多東西是不變的,比方宇宙線能譜,80年前的HESS用能譜分析問題,如今的DAMPE也還是用能譜解決問題.作為大學生,我們既要關注不斷進步的先進研究方式方法,也要踏實學習方便實用的研究工具;更重要的是練就一雙有洞察力的慧眼,能夠從萬千數(shù)據(jù)中找到最有價值的結論,能通過數(shù)據(jù)的表象復原物理現(xiàn)象的圖景并且理解表象背后的本質.以下為以下為參考文獻[1]AdePAR,AghanimN,Armitage-CaplanC,etal.Planck2020results.XVI.Cosmologicalparameters[J].AstronAstrophys,2020(571):A16[2]田凱平,邵正義.Coma星系團的研究進展[J].天文學進展,1995,13(2):152-163.[3]李希國.暗物質理論研究進展[J].原子核物理評論,2021,33(4):392-408.[4]ChatrchyanS,KhachatryanV,SirunyanAM,etal.Observationofanewbosonatamassof125GeVwiththeCMSexperimentattheLHC[J].PhysLettB,2020(716):30-61[5]AadG,AbajyanT,AbbottB,etal.ObservationofanewparticleinthesearchfortheStandardModelHiggsbosonwiththeATLASdetectorattheLHC[J].PhysLettB,2020,716:1-29[6]何鈺,等.暗物質簡介[J].大學物理,2021,35(2):32-36.[7]周宇峰.DAMPE首個宇宙線電子觀測結果的科學意義[J].科技導報,2021,36(12):13-14.[8]周宇峰.暗物質屬性與探測研究進展[J].中國科學(物理學力學天文學),2021,45(4):1-21.[9]楊長根,關夢云,王志民,等.暗物質地下探測的前沿技術預研2020年年度報告[J].科技創(chuàng)新導報,2021,13(19):173.[10]畢效軍,殷鵬飛,周寧.對撞機上尋找暗物質[J].物理,2021,44(11):714-721.[11]姚道新,余釗煥,蔡成豐,等.暗物質間接探測和對撞機探測實驗現(xiàn)在狀況[J].中山大學學報:自然科學版,2020,51(4):1-6.[12]我們國家天文學家加緊研制暗物質探測衛(wèi)星新華網(wǎng)2020-02-0[EB/OL]./tech/2021/12/01/c_1122039650.htm[13]中國科學院紫金山天文臺.中國科學系列首星暗物質粒子探測衛(wèi)星悟空成功發(fā)射[EB/OL].httppmo.acxwzx/twkx/202112/t20211217_4498246.[14]我們國家天文學家加緊研制暗物