悟空衛星重大發現，暗物質的尋找迎來突破！暗物質粒子探測衛星是中國科學院空間科學戰略性先導科技專項中首批立項研製的4顆科學實驗衛星之一，是目前世界上觀測能段範圍最寬、能量分辨率最優的暗物質粒子探測衛星！如果新粒子是暗物質，是重大的突破；如果它不是暗物質，也是很重要的發現。因爲它甚至不像暗物質那樣被理論預測過。
“發現暗物質了嗎？”11月30日，暗物質粒子探測衛星“悟空”公佈了首批科學成果：目前國際上精度最高的電子宇宙線能譜。而這個問題，是“悟空”首先需要面對的。
對此，暗物質衛星首席科學家、紫金山天文臺副臺長常進的回答很嚴謹：只能說，我們找到了一些跡象，還沒有百分百的“發現”。目前，“悟空”的健康狀態滿分，還在源源不斷地收集數據。只有排除所有的其他可能，才能稱得上“發現”。
不過，理論物理學家們已經對新的跡象感到興奮。中國科學院大學常務副校長吳嶽良院士解讀道，在現有的理論機制下，天文物理並不能提供合適的解釋。如果更多的數據證實了這個跡象，那麼“悟空”很可能發現了一個標準模型以外的新粒子。
“悟空”發現電子能譜新結構，超出理論預期
暗物質粒子探測衛星“悟空”
中國科學院院長白春禮甚至給可能的新粒子準備了一個名字：CAS，即中國科學院的英文名縮寫。“如果新粒子是暗物質，是重大的突破；如果它不是暗物質，也是很重要的發現。因爲它甚至不像暗物質那樣被理論預測過。”白春禮說道。
常進預期，等到明年的時候，更多的數據可能給我們帶來更明朗的答案。
意料中的拐折
“悟空”的“火眼金睛”，本質上其實是高能量分辨、高空間分辨、高統計量、低本底的高能粒子望遠鏡。它尤其關注三種與暗物質有關的特徵信號：伽瑪譜線、暈狀分佈伽瑪射線和奇異電子能譜結構。宇宙中的天體物理源，如脈衝星和超新星遺蹟，都能產生高能電子。物理學家們猜測，暗物質雖然“看不見”，不參與電磁作用，但暗物質粒子可能會像普通粒子一樣湮沒爲正負電子對，或者衰變爲其他普通粒子。人類不能直接“看見”暗物質，卻可以間接“看見”這些粒子。
爲此，科學家們開始關注電子宇宙線能譜，即宇宙中不同能量的電子的數目情況。按照預期，能譜應該平緩下降，即能量越高的電子越少。探測數據發現，能譜卻存在異常：沒有按照預期的規律下降，而在接近1TeV(萬億電子伏特)出呈現更加快速的下降。
如果這種異常來自暗物質湮滅，那能譜在上升到一定位置，即暗物質粒子質量後，會出現一個陡峭的截斷。天體物理源同樣會造成能譜上的拐折，卻是比較平緩的變化。
“悟空”發現電子能譜新結構，超出理論預期
0.9TeV處出現的拐折
以往的探測設備的探測能段沒有覆蓋1TeV以上的區域。2005，常進在中美合作的南極氣球實驗上發現了拐折的跡象。只是，測量的精度不高，系統誤差較大，沒有得到廣泛的認可。
正因如此，美國的費米衛星、丁肇中領導的阿爾法磁譜儀，都以1TeV爲核心探測區域。而悟空相比這些前輩的優勢，在於世界最寬的能段範圍，和最精確的分辨能力。
“悟空”的確在這個位置直接探測到了拐折。從圖像上看，在1TeV之前的下降較爲平緩，在1TeV之後的下降更爲明顯。暗物質衛星科學應用系統副總師、紫金山天文臺研究員範一中解釋道，這個結果，依然可以用暗物質模型解釋，但也讓最簡單的暗物質模型受到了挑戰。
範一中舉了個例子說，也許暗物質粒子並非直接湮滅爲電子對，而是先湮滅爲μ子，再進行衰變，這樣的話，能譜變化的趨勢就會更爲平緩。總之，“悟空”的數據精度史上最高，也給理論物理學家們提出了更多的參數限制。
意料外的超出
1TeV出的拐折，置信度達到了6.6個σ。不過，在“悟空”提供的高能電子宇宙線能譜上，人們第一眼可能不會注意到這個拐折：1.4TeV處，有更爲醒目的超出點。
範一中回憶道，2016年5月，常進的電腦上第一次出現了這個跡象：“我們既驚喜又擔心。驚喜的是這可能是個新的重大發現的苗頭。擔心的是測量不夠準確。”
直到目前，“悟空”仍在源源不斷地收集新的數據，以用更多數據來排除統計上波動的可能性。不過，範一中強調，一旦這個超出被後續的數據確認，理論物理學家們面臨的選擇是不多的：“這個能量很高，速度只比光速慢十萬億分之一。由於粒子在宇宙中傳播，能量損失很快，說明這個信號源距離地球很近。此外，信號源產生了準單能的電子譜。在地面上，科學家們可以利用對撞機、精確地調整參數產生類似的電子。在宇宙中，到底是怎麼樣的一個信號源呢？”
“悟空”發現電子能譜新結構，超出理論預期
1.4TeV處的尖銳能譜
吳嶽良解讀道，暗物質聚集在距離比較近的中等質量黑洞周圍，就可以成爲一個連續產生高能電子的信號源。它會呈現一定寬度的尖銳能譜，其寬度由源的距離決定。
據估計，銀河系中大約有數百個中等質量黑洞，結合光子譜和光子通量的計算，滿足相關條件的信號源候選者有6個。
除此之外，鄰近的天體物理活動，比如脈衝星雲或超新星遺蹟，可以短暫地產生加速電子。電子冷卻後在某個能量處截斷，呈現一定寬度的尖銳能譜，其寬度由源的距離和壽命決定。
不過，從一些其他的限定條件來看，除非有新的機制，否則尖銳能譜的天體物理解釋將不是合適的選項。
也就是說，“悟空”發現的尖銳能譜，可能是暗物質粒子存在的新證據。
發現新粒子了嗎？
回到文章開頭的問題。常進在發佈會上對包括澎湃新聞在內的媒體表示，1TeV處拐折的置信度6.6σ，可以達到“發現”的級別，而置信度3.7σ的1.4TeV處尖銳能譜只能說是一個證據。
自然科研中國區科學總監印格致(EdGerstner)補充說道，高能物理就是這樣“又激動又沮喪”，每當一個信號出現，大家都會期待地問：“我們找到新粒子了嗎？”，科學家們只能說：“可能吧。”接着，信號再次出現，大家又期待地問：“我們找到新粒子了嗎？”科學家們還是隻能說：“可能吧”。直到信號重複地出現，經過大量分析，終於有一天，科學家會出來說：“我們找到了！”
暗物質的理論模型並不精細，可以說，只是一個概念。這意味着，“悟空”發現的疑似新粒子，甚至都不一定是暗物質粒子。
白春禮給可能存在的新粒子提前取好了名字，CAS，即中國科學院的英文名縮寫。“如果新粒子是暗物質，是重大的突破；如果它不是暗物質，也是很重要的發現。因爲它甚至不像暗物質那樣被理論預測過。”
“歐洲核子中心撞出希格斯玻色子花了一百億美元，我們的‘悟空’連1億美元都沒有。”白春禮笑着說道。
