“悟空”飞天领跑太空暗物质探测

近日，由中国科学院、中国工程院评选的2017年中国十大科技进展新闻揭晓，“悟空”发现疑似暗物质踪迹榜上有名。中国暗物质粒子探测卫星“悟空”的“火眼金睛”——BGO（锗酸铋晶体）量能器，正是由中国科学技术大学核探测与核电子学国家重点实验室负责研制。“‘悟空’是中国科学家瞄准暗物质探测世界科学前沿所研发出的新型太空探测‘利器’，习近平在连续两次新年贺词以及十九大报告中都为‘悟空’点赞。 ”中科大教授、“悟空”BGO量能器主任设计师刘树彬说，BGO量能器是“悟空”核心分系统，为高效获取高质量的科学数据发挥了关键作用。“悟空”开启新科学大门

2017年11月30日，“悟空”发布了目前国际上最精确的高能电子宇宙射线探测结果，首次直接测量到电子宇宙射线能谱在1.4万亿电子伏特（TeV）能量处的一个“拐折”，震惊了整个世界！

当天，国际权威学术期刊《自然》报告了“悟空”的首个成果：“悟空”测量到电子宇宙射线的一处异常波动，这或许是暗物质“幽灵”一闪而过的身影，此前从未被观测到。中科院院长白春礼认为，如果后续研究证实“悟空”的最新发现与暗物质相关，这将是一项具有划时代意义的科学成果，即便与暗物质无关，也可能带来对现有科学理论的突破。

“如果能发现暗物质，这绝对是诺奖级科学成果，比发现引力波影响力还要大。 ”刘树彬表示，暗物质无处不在，每秒钟可能就有上亿个暗物质粒子穿过每个人的身体。神秘的暗物质到底是什么？暗物质和暗能量，是人类追寻多年的宇宙魅影。当前主流科学界认为，人类发现的物质只占宇宙总物质量不足5%，剩余部分由暗物质和暗能量等构成。由于暗物质无法被直接观测，与物质相互作用很弱，人类至今对它知之甚少。揭开暗物质之谜，被认为是继日心说、万有引力定律、相对论、量子力学之后，人类认识自然规律的又一次重大飞跃。

2015年12月17日，“悟空”正式飞天。在轨运行2年的时间里，“悟空”把整个天区扫描了4次，找到了35亿个以上的高能粒子。“我们现在还不知道‘悟空’的探测结果意味着什么，但是这些结果出乎意料，它们有可能改变我们看待宇宙的方式。此次的成果展示了中国技术实力发展的一个里程碑。”《自然》科研中国区科学总监印格致表示。 “也许在人类科学发展的历史上，大家会记住今天。因为中国科学家已经从自然科学前沿重大发现和理论的学习者、继承者、围观者，逐渐走到了舞台中央。 ”对于“悟空”的这一成果，白春礼激动地说。

“‘悟空’的首个科学成果，相当于打开了宇宙新的观察窗口。”刘树彬透露，国际空间站上的阿尔法磁谱仪（AMS-02）耗资20亿美元，“悟空”总造价仅约1亿美元，但在“1TeV以上高能段电子、伽玛射线的能量测量准确度”和“区分不同种类粒子本领”两项关键指标上世界领先，尤其适合寻找暗物质粒子湮灭过程中产生的一些非常尖锐的能谱信号。“火眼金睛”寻找暗物质

“从探测功能上来说，BGO量能器是‘悟空’卫星绝对的核心；从总体重量上来说，BGO量能器是 ‘悟空’卫星绝对的重心。 ”刘树彬介绍，“悟空”有效载荷由4个探测器组成，从上向下分别是塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、BGO量能器和中子探测器，其中BGO量能器是“悟空”最核心的探测器，被誉为“悟空”的火眼金睛；“悟空”总重1.85吨，BGO量能器重量就有1.05吨。

自2009年起，中科大核探测与核电子学国家重点实验室即作为暗物质卫星合作组发起成员之一参与前期论证和预研，完成地面原理样机研制。 2011年底，卫星工程正式立项后，中科大BGO量能器科研团队攻克多项关键技术难题，先后按期通过方案电性件、初样鉴定件和正样飞行件验收，观测能量范围、能量分辨率等关键指标达到国际领先水平。中科大BGO量能器副主任设计师张云龙告诉记者，BGO量能器由 308根 60厘米长的BGO晶体垂直交叉排列构成，承担着空间高能粒子能量的精确测量、空间高能强子本底鉴别以及为整个有效载荷提供触发信息等关键任务。

谈及“悟空”面临的两大挑战，“悟空”号首席科学家、中科院紫金山天文台副台长、中科大校友常进曾坦言：第一个是粒子鉴别，天上的粒子多种多样，如同在一个2000万人的大城市，瞬间找出20个人，一个都不能错，难度很大。第二个是单个探测器的动态范围，把“悟空”望远镜当成眼睛，不但要能看清一个身高2米的人的五官，还要能看清他身上的血小板，小到2微米，非常不容易。

“BGO量能器解决了这些难题，实现了世界上观测能段范围最宽、能量分辨率最优、粒子鉴别能力最强的目的，保证了电子宇宙射线能谱的宽能区能量测量和高纯度粒子区分。 ”刘树彬说，暗物质粒子碰撞湮灭后会产生末态粒子，如电子、伽玛光子等，如果能精确测量这些粒子能谱，就会发现暗物质留下的蛛丝马迹，“悟空”正是采用这种间接的方式探测暗物质。

“悟空”号科学应用系统副总师、中科大教授黄光顺率领的科研团队还率先开发了“悟空”科学数据分析软件，发展了丰富的BGO量能器在轨性能标定、数据分析方法，完成了高精度能量重建工作。该团队是暗物质粒子探测卫星国际科学合作组中独立的四个数据分析小组之一，为“悟空”科学数据分析和暗物质疑似踪迹的发现作出了重要贡献。“守株待兔”期待新突破

暗物质既不发出电磁波，也不参与电磁相互作用，无法用任何光学或电磁观测设备直接“看”到。那么，科学家怎样探测暗物质？ “目前，世界范围内有三种方法来探测暗物质，分别是空间间接测量、地下直接测量以及用加速器对撞直接产生暗物质粒子。 ”刘树彬告诉记者，“悟空”正是空间间接测量的代表。

“除了参与暗物质的空间间接探测，我们还参与了暗物质的地下直接探测——中国暗物质探测实验‘熊猫计划’（PandaX）。 ”刘树彬说，这种方法就有点像成语故事中的“守株待兔”，暗物质粒子飞奔而来，就如同一群呼啸而过的兔子，也许有一只或几只不长眼的“家伙”会撞在探测设备上。地下直接测量就是直接探测暗物质粒子与普通物质原子核碰撞所产生的信号，由于这种碰撞概率很小，产生的信号非常微弱，为了屏蔽宇宙射线等干扰，这种实验通常要把探测器放置在很深的地下。目前，四川锦屏山的地下实验室是世界上最深的暗物质探测实验室。

四川锦屏山的地下实验室在覆盖着2400多米岩土的极深地下，厚厚的山体可以很好地屏蔽各种干扰信号。“PandaX实验用氙原子作为‘靶子’，地球周围弥散着无数暗物质粒子，它们有可能偶尔碰撞到氙原子，我们希望能探测到由这一碰撞过程而产生的微弱光电信号。 ”中科大BGO量能器副主任设计师封常青透露，在实现“悟空”上天后，在刘树彬教授带领下，他和其他部分成员就参与了科技部立项的PandaX实验中探测器读出电子学设计工作，“我们期待在这里取得新突破，与空间间接探测结果相互印证。 ”

“加速器对撞产生暗物质粒子，是另外一种探测途径。 ”刘树彬说，欧洲核子中心的大型强子对撞机正在尝试将两束高能粒子对撞，直接“创造”出暗物质粒子，但目前还没能成功。

著名科学家爱因斯坦曾说，宇宙中最奇怪的是宇宙居然是可以理解的。目前，人类只弄清楚了宇宙的5%，剩下95%是没弄清楚的暗物质与暗能量。 “暗物质和暗能量是笼罩在现代物理学上空的两朵乌云，如果能够弄清楚它们，肯定会实现基础物理学的重大突破。 ”刘树彬表示，中国科学家有望在揭开暗物质神秘面纱的过程中起到重要作用，挑战最前沿的科学问题。