包括歐核中心科學家在內的一個國際團隊，藉助超級計算機聚焦大爆炸後瞬間誕生的原始黑洞，再現了光子與氫之間的交互，該研究有望為人們揭示暗物質的本質。現在的最新結果表示，宇宙中我們只弄清了5%，還有95%是看不見的暗物質和暗能量……
出品："SELF格致論道講壇"公眾號（ID：SELFtalks）
以下內容為暗物質粒子探測衛星首席科學家常進演講實錄：
我叫常進，目前是暗物質粒子探測衛星的首席科學家。我向大家介紹一下空間探測暗物質粒子的一些情況。
從太陽系的邊緣看地球，地球就像一顆太陽裡的浮塵。銀河系裡大概包含了一千億個這樣的太陽，當我們從銀河系裡看太陽的時候，它根本連浮塵都算不上，是一個點。
銀河系是一個棒旋星系，包括一根棒，兩個大的旋臂，兩個大的旋臂又分了好多小的旋臂。銀河系裡的太陽與銀河系中心的距離大概是2.5萬光年。在北京興隆山上,有個LAMOST望遠鏡，它是我國目前最大的光學望遠鏡，通過測量大量的恆星光譜，得出太陽的速度是每秒240公裡。太陽繞銀河系中間轉，轉一圈需要2.3億年，所以你這輩子都不可能繞銀河系轉一圈了。
我們知道，人造衛星繞地球轉，離地球越近的時候速度越快，離地球越遠的時候速度要慢下來。如果衛星在離地球很遠的地方仍然保持高速，它肯定會跑出地球，飛進太陽系。
但是有一個很有趣的現象，銀河系裡的發光物質或者氣體的分布，大概是10萬光年這樣的尺度，根據太陽和銀河系中間發光物質的分布，科學家可以準確地把太陽繞銀河系的速度計算出來，大概是每秒160公裡。
但剛才我們提到，LAMOST觀測到的太陽實際繞行速度不是160而是240公裡，為什麼太陽的速度這麼快，卻沒有飛出去銀河系呢？是因為太陽和銀河系中間存在著大量我們還沒看得見、看不見的物質，可能是暗物質。
我們測量銀河系外圍的星雲也就是氣體繞銀河系轉的速度，發現它的速度也在200公裡左右。根據這些尺度、速度、距離，我們大概推斷出銀河系裡的物質分布大概是發光物質分布的10倍，還有90％的東西是不發光的。
這是一個微波背景圖像，也就是宇宙大爆炸38萬光年以後,宇宙輻射冷卻下來的一個圖像。現在宇宙學進入精確宇宙學時代，測溫度我們精確到零點幾個毫K，也就是10-6開爾文的變化。
圖片裡可以看到,有的地方紅一點，有地方藍一點，看上去相差很大，實際上是圖片把它放大了，溫度變化其實只有千分之一左右。這千分之一的變化，就表示了整個宇宙中的物質分布情況，有的地方分布得多，有的地方分布得少。
根據這張圖，再結合剛才的旋轉曲線、X射線觀測、引力透鏡的觀測情況，總之有大量的天文觀測，現在的最新結果表示，宇宙中我們只弄清了5%，還有95%是看不見的暗物質和暗能量。其中暗物質大概佔26%點幾，接近70%的是暗能量。
我今天重點講暗物質。剛才講了那麼多天文觀測結果，表明暗物質在宇宙中是肯定存在，但是暗物質的物理性質是什麼呢？
人類到目前為止已經弄清楚，物質是由61種基本粒子組成的。前幾年「上帝粒子」被發現了，但是這61種基本粒子和暗物質粒子的物理性質都不吻合，那麼暗物質粒子必須具備什麼性質呢？
長壽命、質量大，不參與強相互作用和電磁相互作用，只有引力相互作用，可能有弱相互作用，現在還未被證實。這就是暗物質粒子探測這麼熱門的原因，也就是說，如果我們在暗物質方面取得一些突破，肯定在標準的物理學上也會取得突破。
61種基本粒子最難測出來的是希格斯粒子——上帝粒子。為什麼它這麼難探測？是因為不知道它的質量多大。
這裡我講一個故事。我有個朋友他現在已經退休了，希格斯粒子——上帝粒子上個世紀60年代提出來的時候，他當時正好是念高能物理的研究生，他的主要研究方向就是尋找希格斯粒子。
當時世界上認為，希格斯粒子在MeV（百萬電子伏特）量級，認為在實驗室就可以探測到——我們知道,核物理構成大部分在MeV。後來實驗室並沒探測到。有科學家認為,可能它在幾十個MeV，接近GeV（十億電子伏特），於是拿到加速器上去測。所以我這個朋友到斯坦福去做博士後，在斯坦福搞了5年還是沒探測到，他認為希格斯粒子的質量可能在GeV以上，有十個GeV左右。
那時候，德國有一個最大的加速器就叫DESY。我們知道丁肇中先生諾貝爾獎拿到以後，也是在DESY做高能物理實驗。在DESY加速器上找希格斯粒子，花了有10年時間還是沒找到，於是認為希格斯粒子的質量可能在幾十個GeV。那時候，最大的加速器已經搬到歐洲核子中心，也就是瑞士日內瓦和法國交界的地方，名字叫LEP對撞機。
我那朋友又在LEP上幹了十幾年，還是沒有找到，認為希格斯粒子可能在100Gev以上。這時候更大的大型強子對撞機建好了，找到了希格斯粒子，但是他已經退休了。
到目前為止，我們還不知道暗物質粒子質量究竟多大，但是我們希望這樣的故事不要在我們身上發生。我們努力工作，希望能夠儘快找到暗物質粒子。
剛才講了，暗物質在宏觀分布上佔宇宙的主要部分，但在微觀密度上並不強，在地球附近的分布大概在每立方釐米0.3個質子。這個數字比較抽象，比如地球這麼大的體積裝滿了暗物質，大概只有幾公斤，所以在地球附近找到暗物質是一件很難的事情。
那麼怎麼去探測暗物質粒子？有三種方法，第一種是在加速器上探測。加速器上通過高溫粒子碰撞模擬宇宙大爆炸，將暗物質粒子碰撞出來探測到它。
目前最大的加速器，也就是發現上帝粒子的LEP強子對撞機，對撞能量目前已經到了13個TeV（1000GeV），實際是14個TeV。可惜四五年下來了，暗物質粒子探測方面沒有取得什麼成果。
第二種方法是地下直接探測法。讓暗物質粒子與普通原子核碰撞，像打撞球一樣的，一個球撞另外一個球。暗物質本身不可見，但是暗物質碰撞另外一個球（原子核）以後，原子核會動，通過探測反衝原子核來探測暗物質粒子。
為什麼放到地底下？因為球動的能量量級大概在KeV（千電子伏特）到MeV量級，而地面上這樣的本底（環境中本身存在的）最多，尤其是宇宙射線，天上來的高能粒子轟擊大氣，產生的大量次級粒子也在這個能段裡面。
所以為了屏蔽這一部分本底，必須把探測器放到地底下，放得越深本底會越低。我們國家將在錦屏山建立世界上最深的地下試驗室，用來探測暗物質粒子，上海交大和清華大學都有實驗在那兒做。
第三種方法是空間探測暗物質粒子。因為暗物質粒子來自宇宙大爆炸，在宇宙大爆炸剛開始的時候，暗物質粒子和暗物質粒子碰撞產生看得見的粒子，但是看得見的普通物質粒子碰撞全部產生暗物質嗎？到目前為止，研究表明是不可能的，否則我們就不可能存在，因為物質都變成暗物質了。
所以從邏輯上講，暗物質和暗物質碰撞肯定會產生看得見的粒子。於是我們通過探測暗物質粒子碰撞所產生的看得見的粒子，去探測看不見的暗物質粒子。
到目前為止，加速器上沒有看到暗物質粒子的信號，地下實驗也沒有看到暗物質粒子的信號，天上也沒有看到，但是看到了一些跡象。比如丁肇中先生領導的AMS團隊，通過在天上差不多5年多的數據，發現宇宙中，高能正電子流量比理論模型要高。
理論模型預計，正電子流量隨著能量的增加，應該往下降。但是在天上發現，隨著能量的增加，流量並沒有掉下來，反而增加了。這些增加的正電子，是來自於暗物質粒子，還是來自特殊的天體物理過程，我們並不是很清楚。
目前還沒有辦法下結論，主要原因是探測器不夠大、靈敏度不夠，觀測的能量區間比較低。所以，我們需要一個新的探測器，通過探測天上的高能粒子能量、方向、電荷，鑑別出它的種類，來探測暗物質粒子。這就是我們暗物質衛星提出的主要的背景。
暗物質粒子探測衛星，實際上是一個望遠鏡。它工作在高能量波段，大概比光學的波段要高10，所以這麼高能量的高能光子和探測器作用以後，它不會產生反射、折射等普通的波的光學性質，高能光子和探測器發生作用後產生正負電子對，我們這個望遠鏡通過探測正負電子對的方向、能量，來判斷天上高能光子的方向和能量。
整個探測器從上到下大概有四層，最頂部是塑料閃爍體探測器，區分粒子的電荷，它是蘭州的中國科學院近代物理所做的，中間是矽陣列探測器，這是高能物理所和一些國際合作團隊做的。
底下是最主要的探測器——一噸多重的BGO量能器。這個探測器是由中國科學技術大學負責做的，最底下一個中子探測器是紫金山天文臺做的，整個四個探測器組合在一起，可以高精度地測量入射粒子的方向、能量、電荷，並鑑別出粒子的種類。
這個探測器，2015年年底發射上天了，到目前為止各項性能工作正常，整個探測器重量是1.4噸多重，功耗600瓦，它工作在什麼樣的軌道上呢？500公裡的太陽同步軌道，太陽從早到晚任何一個方向都能照到這個衛星上，保證這個衛星的溫度比較穩定。
探測器由7萬多個子探測器組成， 整個探測器是一個大的望遠鏡，這個大望遠鏡有七萬多路小的傳感器組成，所以每一個高能粒子打上去，有7萬多個信號出來。根據7萬多個信號，我們可以判斷入射粒子的能量、方向、電荷。
這個圖像就是探測器得到的在x平面、y平面的高能粒子的圖像。我們重建入射徑跡可以得到入射粒子的方向，然後根據徑跡得到頂部的能量沉積，可以得到它的電荷。
這是一個典型的、立體的、三維300多GeV（十億電子伏特）的高能電子打在望遠鏡上，產生的一幅圖像。整個探測器的性能主要是測量能量、方向、電荷和鑑別出粒子的種類。所以我們探測器的能量分辨，到目前為止在TeV（1000GeV）的地方是1.4%，這個數字比較枯燥，對你們來說沒有意義，但是對我們特別重要。
這1.4%比世界上所有在天上飛的衛星，包括電線上的AMS-02的探測器，能量分辨都要高2倍以上。這意味著，在探測譜線或者一些能譜的變化方面特別有用，這是能量測量的世界最高水平。
在電荷測量方面，從氫元素，氫、氦、鋰、鈹、硼，碳、氮、氧、氟、氖一直到鐵，26種元素，其中鐵的電荷分辨大概在0.3，這也與世界最高水平相當。
上面這張是我們得到的伽馬射線銀河系的天圖。我們可以看到，銀河系是一個盤狀的，上面有一些亮的點，這些亮的點就是伽馬射線源。根據伽馬射線源亮點的大小，我們可以標定出探測器的角分辨水平達到0.2度，在3GeV，這也是與世界最高水平相當。
在粒子鑑別水平方面，這像一個鼓包的東西（見上圖第四張曲線圖），這是信號，我們要探測它。底下比較低的是本底，我們的信號和本底的比例是50倍，也就是本底只佔2％，這是世界最高水平，比日本的CALET大概要高十倍。
也就是說，我們的衛星發射上天，經過標定以後，在能量、方向、電荷，包括粒子鑑別方面，都達到世界最高水平。目前為止，我們大概每天探測500萬個高能粒子，目前已經收集到30億個高能粒子。圍繞整個天區，整個宇宙我們掃描了三次。
宇宙的高能電子由於同步輻散和逆康普頓散射等物理過程，高能電子的能量損失得越來越快。這樣我們地球上看到的TeV以上的高能電子肯定來自於附近的。
暗物質湮滅的時候，也會產生一個往下掉的過程。但是它往下掉和天體往下掉完全不一樣，所以如果我們能精確地測量往下掉，可以來探測宇宙中的暗物質。因為宇宙中天體產生的高能電子流量很低，如果發現TeV以上的流量往下掉，我們就可以通探測這些譜線，來探測暗物質粒子。
還有高能伽馬射線空間分布譜線（這些都是暗物質粒子特徵信號），因為GeV以上沒有其他物理構成能夠產生伽馬射線譜線，只有暗物質粒子湮滅會產生伽馬射線譜線。所以如果我探測到伽馬射線譜線，意味著已經找到了暗物質粒子。另外，還可以通過宇宙線其他能譜的精確測量和空間分布，來探測暗物質粒子。
總的來講，暗物質粒子探測衛星將打開宇宙TeV的窗口。因為TeV以上還沒有人在天上進行觀測過，我們希望在不遠的將來，中國人能夠在天上找到暗物質粒子！
謝謝大家。
「SELF格致論道」講壇是中國科學院全力推出的科學文化講壇，致力於精英思想的跨界傳播，由中國科學院計算機網絡信息中心和中國科學院科學傳播局聯合主辦，中國科普博覽承辦。SELF是Science, Education, Life, Future的縮寫，旨在以「格物致知」的精神探討科技、教育、生活、未來的發展。關注微信公眾號SELFtalks獲取更多信息。
本文出品自「SELF格致論道講壇」公眾號（SELFtalks），轉載請註明公眾號出處，未經授權不得轉載。