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“看到”引力波、探测暗物质 探秘2017年“跳跃”的基础物理学(2)

日期:2018-01-08 17:57 来源:网络整理

中科院理论物理研究所吴岳良院士告诉21世纪经济报道记者,与国际上比,“悟空”号在大约1TeV处的观测分辨率更高,所以测量结果也更精确。尤其是其精确的下降行为对于判定部分电子宇宙射线是否来自于暗物质起着关键性作用。

暗物质是科学家们对未知物质的一种统称,同时也是物理学界的一大未解之谜,人类目前只能通过引力产生的效应感受它的存在。

2015年12月17日,暗物质粒子探测卫星“悟空”号在酒泉卫星发射中心成功发射升空,这也是中国的首颗天文卫星。“悟空”号的任务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。

作为一颗暗物质探测卫星,“悟空”号其实是一个高能粒子和伽马射线望远镜,它从顶部到底部一共有四种探测器,顶部是塑料闪烁体探测器,往下依次是硅阵列探测器、BGO量能器、中子探测器。

常进是中科院紫金山天文台副台长、暗物质粒子探测卫星首席科学家,“悟空”号是其在2005年最先提出后开始研制。他评价“悟空”号卫星时说道,这是世界上第一次到天上去观察TeV以上的波段,相当于打开了宇宙新的观察窗口。

据悉,“悟空”号卫星在轨运行的前530天共采集了约28亿颗高能宇宙射线,其中包含约150万颗25GeV(1 GeV=10亿电子伏特)以上的电子宇宙射线。

根据人们已知的物理规律,来自宇宙空间的粒子能谱是有其特定分布的。而在以往的暗物质探测中,国际上有空间探测器发现在特定能量段电子会增多,在能谱曲线上不再单调下降而是叠加了一个“拐折”。

但他们通常只测量到“拐折”的上升部分,没有测量到“拐折”的下降。而“悟空”号此次不仅探测到能谱的上升过程,还清楚地看到电子宇宙射线能谱在大约1TeV处开始下降。这对于研究这些增多的电子非常重要。

此外,“悟空”号还观测到电子宇宙射线能谱在大约1.4TeV处存在一个“尖锐结构”。中科院紫金山天文台研究员范一中当时分析说,电子能谱在高能区突然出现拐折,一定是有什么“源”影响了它。

吴岳良告诉记者,这处发现是之前没有预料到的,但目前统计量还不够。等过几年,统计量高了以后这个现象还在那里,就可以根据实验去寻找原因,看究竟是暗物质还是其他天体。但即便不是暗物质,也是一些特殊的天体。

微型中微子探测器

今年8月,《科学》杂志公布了一项与中微子有关的研究成果。美国橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Lab)的科学团队利用便携式中微子探测器首次探测到中微子-原子核相干性散射,从实验上验证了40多年前提出的一项物理学理论。

张明表示,中微子是核物理标准模型中的重要粒子,也是天文学中重要的观测对象,此前业界已投入大量人力物力对其展开研究,2015年诺贝尔物理学奖就授予了对中微子振荡的研究。

根据物理学定律,粒子间存在4种基本力:引力、电磁力、弱相互作用力、强相互作用力。中微子是一种特殊类型的粒子,只通过引力和弱相互作用力与其他粒子相互影响,在目前条件下,这两种作用力的探测相当困难。

1974年,麻省理工学院理论物理学家丹尼尔·弗雷德曼(Daniel Freedman)提出了中微子-原子核相干性弹性散射理论,认为中微子波长会随着粒子能量而变化,当其处于高能状态时,只与某个质子或中子发生相互作用;而当其处于低能状态时,就会与原子核发生相干性作用,从而发出可以检测到的信号。

以往,为了观测到足够多的中微子,中微子探测器必须够大。为了隔绝宇宙射线及其他可能的背景干扰,中微子的探测仪器时常设立在地底下。

在弗雷德曼的理论下,中微子除与质子相互作用外,还能与整个原子核相互作用。而原子核的尺寸要远大于质子,这也使得利用尺寸较小的探测器探测中微子成为可能。

此次取得探测成果的探测器,就只有奶壶大小,高度仅为24英寸。该团队利用掺杂钠的碘化铯晶体制成的探测器,对橡树岭国家实验室散裂中子源(Spallation Neutron Source)装置产生的中微子进行了检测。当中微子通过时,碘化铯晶体内的原子核会发生反弹,哪怕信号只有一点点,碘化铯晶体也能产生可以检测到的闪光。

在461天的实验数据中,他们总共观测到了134次中微子散射事件。该团队证实了40多年前弗雷德曼提出的理论,他们在中微子与原子核的碰撞过程中观测到了短暂的闪光,这些光产生自原子核被中微子轻轻推动的过程。

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