“悟空”发现电子能谱新结构，超出理论预期

 “发现暗物质了吗？”11月30日，暗物质粒子探测卫星“悟空”公布了首批科学成果：目前国际上精度最高的电子宇宙线能谱。而这个问题，是“悟空”首先需要面对的。

对此，暗物质卫星首席科学家、紫金山天文台副台长常进的回答很严谨：只能说，我们找到了一些迹象，还没有百分百的“发现”。目前，“悟空”的健康状态满分，还在源源不断地收集数据。只有排除所有的其他可能，才能称得上“发现”。

不过，理论物理学家们已经对新的迹象感到兴奋。中国科学院大学常务副校长吴岳良院士解读道，在现有的理论机制下，天文物理并不能提供合适的解释。如果更多的数据证实了这个迹象，那么“悟空”很可能发现了一个标准模型以外的新粒子。

暗物质粒子探测卫星“悟空”

中国科学院院长白春礼甚至给可能的新粒子准备了一个名字：CAS，即中国科学院的英文名缩写。“如果新粒子是暗物质，是重大的突破；如果它不是暗物质，也是很重要的发现。因为它甚至不像暗物质那样被理论预测过。”白春礼说道。

常进预期，等到明年的时候，更多的数据可能给我们带来更明朗的答案。

意料中的拐折

“悟空”的“火眼金睛”，本质上其实是高能量分辨、高空间分辨、高统计量、低本底的高能粒子望远镜。它尤其关注三种与暗物质有关的特征信号：伽玛谱线、晕状分布伽玛射线和奇异电子能谱结构。宇宙中的天体物理源，如脉冲星和超新星遗迹，都能产生高能电子。物理学家们猜测，暗物质虽然“看不见”，不参与电磁作用，但暗物质粒子可能会像普通粒子一样湮没为正负电子对，或者衰变为其他普通粒子。人类不能直接“看见”暗物质，却可以间接“看见”这些粒子。

为此，科学家们开始关注电子宇宙线能谱，即宇宙中不同能量的电子的数目情况。按照预期，能谱应该平缓下降，即能量越高的电子越少。探测数据发现，能谱却存在异常：没有按照预期的规律下降，而在接近1TeV（万亿电子伏特）出呈现更加快速的下降。

如果这种异常来自暗物质湮灭，那能谱在上升到一定位置，即暗物质粒子质量后，会出现一个陡峭的截断。天体物理源同样会造成能谱上的拐折，却是比较平缓的变化。

0.9TeV处出现的拐折

以往的探测设备的探测能段没有覆盖1TeV以上的区域。2005，常进在中美合作的南极气球实验上发现了拐折的迹象。只是，测量的精度不高，系统误差较大，没有得到广泛的认可。

正因如此，美国的费米卫星、丁肇中领导的阿尔法磁谱仪，都以1TeV为核心探测区域。而悟空相比这些前辈的优势，在于世界最宽的能段范围，和最精确的分辨能力。

“悟空”的确在这个位置直接探测到了拐折。从图像上看，在1TeV之前的下降较为平缓，在1TeV之后的下降更为明显。暗物质卫星科学应用系统副总师、紫金山天文台研究员范一中解释道，这个结果，依然可以用暗物质模型解释，但也让最简单的暗物质模型受到了挑战。

范一中举了个例子说，也许暗物质粒子并非直接湮灭为电子对，而是先湮灭为μ子，再进行衰变，这样的话，能谱变化的趋势就会更为平缓。总之，“悟空”的数据精度史上最高，也给理论物理学家们提出了更多的参数限制。

意料外的超出

1TeV出的拐折，置信度达到了6.6个σ。不过，在“悟空”提供的高能电子宇宙线能谱上，人们第一眼可能不会注意到这个拐折：1.4TeV处，有更为醒目的超出点。

范一中回忆道，2016年5月，常进的电脑上第一次出现了这个迹象：“我们既惊喜又担心。惊喜的是这可能是个新的重大发现的苗头。担心的是测量不够准确。”

直到目前，“悟空”仍在源源不断地收集新的数据，以用更多数据来排除统计上波动的可能性。不过，范一中强调，一旦这个超出被后续的数据确认，理论物理学家们面临的选择是不多的：“这个能量很高，速度只比光速慢十万亿分之一。由于粒子在宇宙中传播，能量损失很快，说明这个信号源距离地球很近。此外，信号源产生了准单能的电子谱。在地面上，科学家们可以利用对撞机、精确地调整参数产生类似的电子。在宇宙中，到底是怎么样的一个信号源呢？”

1.4TeV处的尖锐能谱

吴岳良解读道，暗物质聚集在距离比较近的中等质量黑洞周围，就可以成为一个连续产生高能电子的信号源。它会呈现一定宽度的尖锐能谱，其宽度由源的距离决定。

据估计，银河系中大约有数百个中等质量黑洞，结合光子谱和光子通量的计算，满足相关条件的信号源候选者有6个。

除此之外，邻近的天体物理活动，比如脉冲星云或超新星遗迹，可以短暂地产生加速电子。电子冷却后在某个能量处截断，呈现一定宽度的尖锐能谱，其宽度由源的距离和寿命决定。

不过，从一些其他的限定条件来看，除非有新的机制，否则尖锐能谱的天体物理解释将不是合适的选项。

也就是说，“悟空”发现的尖锐能谱，可能是暗物质粒子存在的新证据。

发现新粒子了吗？

回到文章开头的问题。常进在发布会上对包括澎湃新闻（www.thepaper.cn）在内的媒体表示，1TeV处拐折的置信度6.6σ，可以达到“发现”的级别，而置信度3.7σ的1.4TeV处尖锐能谱只能说是一个证据。

自然科研中国区科学总监印格致（Ed Gerstner）补充说道，高能物理就是这样“又激动又沮丧”，每当一个信号出现，大家都会期待地问：“我们找到新粒子了吗？”，科学家们只能说：“可能吧。”接着，信号再次出现，大家又期待地问：“我们找到新粒子了吗？”科学家们还是只能说：“可能吧”。直到信号重复地出现，经过大量分析，终于有一天，科学家会出来说：“我们找到了！”

暗物质的理论模型并不精细，可以说，只是一个概念。这意味着，“悟空”发现的疑似新粒子，甚至都不一定是暗物质粒子。

白春礼给可能存在的新粒子提前取好了名字，CAS，即中国科学院的英文名缩写。“如果新粒子是暗物质，是重大的突破；如果它不是暗物质，也是很重要的发现。因为它甚至不像暗物质那样被理论预测过。”

“欧洲核子中心撞出希格斯玻色子花了一百亿美元，我们的‘悟空’连1亿美元都没有。”白春礼笑着说道。