Q:刘辛味《科技生活》记者

A:袁强 中科院紫金山天文台暗物质与空间天文研究部研究员，“悟空”项目论文作者之一

为什么要寻找暗物质

Q:暗物质与反物质有关系吗?

A:反物质现在已经不奇怪了。从标准模型中可以知道，每种粒子都有它的反粒子，它们能够成反物质，我们认识到了这种东西。但暗物质不同，它完全超出标准模型，更玄妙。当然，也有理论认为暗物质也有它自己的反暗物质，WIMP(暗物质粒子全称的缩写：弱相互作用大质量粒子)模型就认为正反暗物质碰撞湮灭后会产生正负电子对。

Q:暗物质好像对生活没有任何影响，我们为什么还要找它?

A:我们现在只了解我们生存的宇宙的5%，我认为生存在这里的人都会有好奇心去探索剩下的95%是什么，为什么我们不了解宇宙绝大多数的东西。其实可以说暗物质决定了我们的“前世今生”，暗物质的存在影响了整个宇宙的演化，决定了我们的存在，如果没有暗物质，可能就没有银河系，没有地球，也没有我们。我们应对暗物质抱有感恩的心。

Q:“上天”“入地”和对撞，哪种探测方式会先发现暗物质?

A:很难说，我认为跟运气有关系。三种探测方式其实观测的是暗物质不同的属性。直接探测是暗物质与普通物质闪烁的属性;空间间接探测是暗物质湮灭或衰变的属性;对撞机则是暗物质产生的属性。这些属性之间不完全相同，如果某一方面比较强，那就更容易成功。但我认为，要认清暗物质的属性，这些手段都需要互相印证。

Q:暗物质探测过程中是否有其他收获?

A:很有可能会有意外收获。在三种探测方法中，建造对撞机并不是专门针对暗物质，还有其他的科学目标。空间探测，如“悟空”本身是宇宙射线的探测器，它还能进行宇宙射线的物理问题及研究。“悟空”还能记录天体辐射出的伽马射线，对分析黑洞、中子星等极端天体下的属性有帮助。另外，科学“副产品”对技术发展有推动作用。为实现科学目标，在实际操作时对技术提出了极高的需求，直接促进了技术水平、工业水平的提升。

暗物质证据是与否，都属于重大发现

Q:“悟空”的目标是暗物质粒子WIMP吗?

A:是的。弱作用大质量粒子是目前最有可能的暗物质粒子，在不能保证成功的情况下要从把握最大的开始，实在不行再考虑其他途径。现在主流的实验都瞄准WIMP，但也有针对其他模型进行的实验。

Q:怎么看“悟空”发现的能谱?

A:能谱简单来说就是把不同能量的粒子数量标记出来。我们能看到横轴能量是指数能增长的形式，因为测量范围很宽，如果用线性坐标数据会压缩在高能量段，低能能量段就看不出来。纵轴单位很复杂因为进行了数据处理，本质是每个能量的粒子数量。这张图就表示不同能量电子的数目关系。

Q:出现的拐折说明了什么?

A:天体物理学对能谱数目关系有一个预期，呈幂律分布，越高能的粒子越少。电子的有效传播范围与它的能量有关，越高能的电子传播范围越小，我们在地球附近监测到的高能电子可能只来自个别源。“悟空”的监测数据在这里出现了拐折，说明它检测到的电子数量偏离了预期的分布，意味着银河系中电子宇宙射线源的分布特征出现了明显变化。在此前的实验中，发现过类似迹象，但由于误差很大不能明确下结论。这次我们清晰无误地测出了这个拐折。

▲根据“悟空”观测数据，在1.4万亿电子伏特（TeV）的超高能谱段突然出现剧烈波动，呈现一个“尖峰”（图 片来自网络）

Q:1.4TeV的尖峰是否证明了暗物质存在?

A:首先我们要强调，我们的数据统计量还不够，还不足以达到距离物理学上的新发现所有需要的统计值。所以只能表明是初步的迹象，或证据表明这里有未被发现的物质。后续要积累数据，或者未来降低筛选条件，以搜集更多的事例。如果我们能确定有1.4TeV这个事件，目前有两种可能的解释。第一种比较合理的解释是，它是新的质量为1.4TeV的粒子，或许就是我们苦苦追寻的暗物质粒子，它湮灭产生1.4TeV的正负电子。第二种可能解释是，宇宙中某种天体就像地面上的加速器，把电子加速到1.4TeV的能量。我们深入研究后，有可能脉冲星扮演这样的角色，脉冲星高速稳定自转，在强磁场下形成的感应电场或许能加速出单一能量的高能粒子。无论是哪种情况，都将是粒子物理或天体物理领域的开创性发现！

Q:其他探测器为何没发现此现象?

A:其实这与探测器设计有关系。某种程度上说，“悟空”是针对TeV以上能量的设计。我们的分辨率和准确度要高，我们在高能量电子的探测方面是最好的。其他探测装置，比如费米卫星最有优势是观测伽马射线，这方面它是公认的世界第一。不能认为“悟空”在全方位指标都超越其他探测器。

Q:“悟空”已使用两年，预计寿命是三年，它未来将如何?

A:实际上悟空的仪器使用并没有打折扣，甚至和初期指标相同，所以还能超期服役。国外项目超期使用很常见，因为我们在地面设计制造时会很保守，没人知道天上会遇到什么情况，所以指标一般都会富余，如果在天上没有问题，就会超期使用。以“悟空”现在的状态，会再延续几年，甚至十年也有可能。

▲ “悟空”卫星工作530天得到的高精度宇宙射线电子能谱（红色 数据点），以及和美国费米卫星测量结果（蓝点）、丁肇中先生领导 的阿尔法磁谱仪的测量结果（绿点）的比较（图片来自网络）

“悟空”取经道路任重道远

Q:“悟空”团队工作状态如何?

A:团队分工分为三大部分，有负责监视卫星状态，有数据分析工作需要把采集到的原始数据转换为物理学信息，第三部分是把物理信息和天上的物理过程联系起来。我本人负责二、三部分，试图理解“悟空”采集数据背后的物理过程。我们很像程序员，每天“悟空”从天上传回的原始数据有10多G，重建物理数据会超过100G，我们要把有用的信息提取出来，虽然辛苦，但如今取得了阶段性的成果，我们也感觉对人民有了交代，后面还任重道远。