近代物理所参与研发的悟空号获得了世界上最精确的高能电子宇宙线能谱

  

  天文观测表明,宇宙中的暗物质比人类目前熟悉的普通物质,也就是标准粒子物理模型能解释的物质要多5倍,其物理本质是目前国际上粒子物理和天体物理领域最重大问题之一。“悟空”的核心使命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。

  我国首颗天文观测卫星——暗物质粒子探测卫星(DAMPE)“悟空”号的使命就是在茫茫宇宙射线中寻找暗物质粒子的蛛丝马迹,并研究相关的天体物理过程。“悟空”号自20151217日升空以来,通过对前530天在轨运行数据的收集和分析,不负众望,成功获得了目前国际上精度最高的电子宇宙射线能谱探测结果,并直接测量到了丁肇中先生及其领导的“阿尔法磁谱仪”团队一直渴望获得的拐折,即电子能谱在约1TeV处出现了拐折。该处拐折的精确测量不仅有助于揭示能量小于1TeV电子宇宙射线物理起源的密匙,而且将能够确定其中部分电子宇宙射线是否来自暗物质的湮灭。此外,值得关注的是“悟空”号在电子能谱约1.4TeV处发现了精细结构,这可能预示着宇宙空间中可能存在“质量为1.4TeV左右的新物理粒子”或者存在某种奇特天体可以加速产生单一能量的高能电子。“悟空”号将继续巡天收集数据,一旦最终确证该精细结构,这将是粒子物理和天体物理领域的开创性发现。 

 

  1DAMPE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 (该结果于2017.6.28投稿) 

  在“悟空”号上,中国科学院近代物理研究所负责了有效载荷关键分系统之一的塑闪阵列探测器(PSD)的研制工作。PSD的主要功能是探测并鉴别高能宇宙射线中带电粒子的电荷数,同时分辨高能电子和伽玛光子。自201110月“悟空”立项以来,近代物理所研制团队大力协作、艰苦攻关,历经方案、初样和正样等阶段,圆满完成研发工作,按时交付合格产品。北京时间20151224日卫星首次回传数据结果显示,PSD工作状态稳定,各项技术指标正常。在“悟空”号后续巡天观测中,近代物理所研制团队对PSD进行了精细刻度和长期监测,结果表明PSD对入射高能宇宙射线的电荷数具有良好的分辨能力,能很好的选择出电荷数为1的带电粒子,同时PSD的各项性能具有良好的长期稳定性,对电子的探测效率始终稳定在99.996%水平,从而极大幅度地降低了伽马光子的误判率。这在电子宇宙线能谱的精确观测中发挥了极其重要的作用。高标准研制的暗物质粒子探测卫星大型空间实验装置,为我国在空间科学方面取得重大原创性成果奠定了良好开端,近代物理所圆满完成了“悟空”号有效载荷分系统的研制任务,培养了一支敢于吃苦钻研、勇于奉献的年轻研制团队,在空间粒子探测装置研制及空间科学探索能力方面跨上了新台阶。

  

  2 PSD在轨工作性能图,上图为PSD第一层各探测单元对电子的探测效率图,下图为PSD对高能宇宙射线电荷数的鉴别结果。 

  https://www.nature.com/articles/nature24475 

  http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0927650516302031