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近代物理所参与的“悟空”号暗物质卫星成果“首次直接探测到电子宇宙射线能谱在1TeV附近的拐折”入选2018年度中国科学十大进展

发表日期:2019-03-06来源:近代物理研究所放大 缩小

  2月27日,科学技术部基础研究司、基础研究管理中心在北京召开了2018年度“中国科学十大进展”专家解读会,相关评选结果正式公布。近代物理所参与的“悟空”号暗物质卫星成果“首次直接探测到电子宇宙射线能谱在1TeV附近的拐折”入选2018年度中国科学十大进展。 

  高能宇宙射线中的负电子和正电子在宇宙传播过程中会很快损失能量,因此其测量数据可以作为高能物理过程的一个探针,甚至用于研究暗物质粒子的湮灭和衰变现象。基于地基切伦科夫伽马射线望远镜的间接探测获得的电子宇宙射线能谱在1TeV附近存在有拐折迹象,但其系统误差很大。     

  我国首颗天文卫星“悟空号”(DAMPE)是由紫金山天文台负责,中国科技大学、近代物理所和高能物理研究所共同研制的,其电子宇宙射线的能量测量范围比国外的空间探测设备(如AMS-02、Fermi-LAT)有显著提高,拓展了人类在太空中观察宇宙的窗口。DAMPE合作组基于悟空号前530天的在轨测量数据,以前所未有的高能量分辨率和低本底对25GeV-4.6TeV能量区间的电子宇宙线能谱进行了精确的直接测量。悟空号所获得能谱可以用分段幂律模型而不是单幂律模型很好地拟合,明确表明在0.9TeV附近存在一个拐折,证实了地面间接测量的结果。该拐折反映了宇宙中高能电子辐射源的典型加速能力,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的作用。此外,“悟空号”所获能谱在1.4TeV附近呈现出流量异常迹象,尚需进一步的观测来确认是否存在一个精细结构。 

  近代物理所作为悟空号卫星的主要参研单位,负责研制了塑闪阵列探测器(PSD)。PSD一方面实现宇宙射线中带电粒子电荷数Z的鉴别,另一方面实现高能电子和伽马光子的区分。悟空号在轨超过三年的巡天观测中,地面回传数据结果显示PSD工作状态稳定,各项技术指标正常,PSD不仅能够很好的选择Z=1的带电粒子,并对其探测效率始终稳定在99.996%水平,极大幅度地降低了伽马光子地误判率。这在悟空号首次直接探测到电子宇宙射线能谱在1TeV附近的拐折发挥了重要作用。 

  近代物理所在圆满完成悟空号有效载荷分系统研制任务的同时,培养了一支“敢啃硬骨头、勇于奉献”的年轻团队,在空间粒子探测装置研发以及空间科学探索领域积累了宝贵经验。 

  瑞典皇家科学院院士、诺贝尔物理学奖评奖委员会秘书Lars Bergstrom教授肯定了这是首次直接测量到这一拐折。美国约翰霍普金斯大学Marc Kamionkowski教授评论认为,这是年度最令人激动的科学进展之一。 

 

  图1:近代物理所孙志宇研究员、刘杰研究员在2018年度“中国科学十大进展”专家解读会现场 

 

  图2:DAMPE工作530天得到的高精度宇宙射线电子能谱,红色的点是“悟空号”测量的结果,蓝色线是美国“费米”卫星测量的结果,绿色线是丁肇中先生领导的阿尔法磁谱仪测量结果。 

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