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“悟空”卫星首次直接测量到TeV能区电子谱拐折现象

( 2017-11-30 )

利用暗物质粒子探测卫星“悟空”(DAMPE)采集到的数据,科研人员获得了目前国际上最精确的高能电子宇宙射线探测结果,首次直接测量到电子宇宙射线能谱在~1TeV处的拐折,其精确的下降行为对于判定能量低于1TeV的部分电子宇宙射线是否来自于暗物质起着关键性作用。相关成果于1130日在《自然》(Nature)杂志在线发表。我校黄光顺教授、张云龙副研究员及博士后、研究生组成的科研团队在科学数据分析工作中作出了重要贡献。

中国科学院日前举行新闻发布会,宣布“悟空”卫星取得的这一重大科学成果。中科院院长、党组书记、中科院院士白春礼,中科院副院长、空间科学先导专项领导小组组长相里斌出席发布会。我校副校长朱长飞和核探测与核电子学国家重点实验室主任、“悟空”卫星工程卫星系统副总师安琪参加了会议。

“悟空”卫星拥有世界领先的高能电子、伽马射线的能量测量准确度区分不同种类粒子的本领两项关键技术,其核心使命是寻找暗物质粒子存在的证据,并进行天体物理研究。

我校核探测与核电子学国家重点实验室成功研制出目前世界上观测能段范围最宽、能量分辨率最优、粒子鉴别能力最强的BGO量能器。该量能器是“悟空”卫星的核心分系统,成功实现了电子宇宙射线能谱的宽能区能量测量和高纯度粒子区分,为高效获取高质量的科学数据发挥了关键作用。我校黄光顺教授作为卫星工程科学应用系统副总师,带领团队率先开发了DAMPE科学数据分析软件,发展了丰富的BGO量能器在轨性能标定、数据分析方法,完成了高精度能量重建工作,是暗物质粒子探测卫星国际合作组中独立的数据分析小组之一,为科学数据分析作出了重要贡献。

“悟空”卫星在轨运行的前530天共采集了约28亿高能宇宙射线,其中包含约15025GeV以上的电子宇宙射线。基于这些数据,科研人员成功获得了迄今为止能区覆盖最宽、高能区能量测量精度最高、粒子鉴别能力最优的电子宇宙射线能谱;首次直接测量到电子宇宙射线能谱在~1 TeV处的拐折,反映了宇宙中的高能电子辐射源的典型加速能力,对其精确测量是正确理解小于1 TeV的电子宇宙射线物理起源的关键,有助于揭示能量在1 TeV以下的电子宇宙射线是否来自于暗物质湮没或衰变。此外,“悟空”卫星的数据初步显示在~1.4 TeV处存在能谱精细结构,一旦该精细结构得到进一步确认,将是粒子物理和天体物理领域的开创性发现。

“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)、丁肇中院士领导的阿尔法磁谱仪的测量结果(绿点)的比较

Nature在线文章链接http://dx.doi.org/10.1038/nature24475

  

新闻背景:

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的最重大问题之一。

“悟空”卫星是中国科学院“空间科学”战略性先导科技专项的首发星,于20151217日成功发射。该卫星的科学目标包括通过在空间高分辨、宽波段观测高能电子和伽玛射线寻找和研究暗物质粒子,在暗物质研究这一前沿科学领域取得重大突破;通过观测TeV以上的高能电子及重核,在宇宙射线起源方面取得突破;通过观测高能伽玛射线,在伽玛天文方面取得重要成果。

我校核探测与核电子学国家重点实验室在先进探测器、前端电子学关键技术、大容量高速数据获取与处理系统技术等方面具备国际一流研究水平,并拥有丰富的国内重大科研装置以及国际大型探测器的合作设计与建设经验。自2009年起,该实验室作为重要成员参与了卫星工程前期论证和预研工作,并完成了地面原理样机研制。2012年“悟空”卫星工程正式立项后,该团队攻克了“BGO晶体大动态范围读出关键技术难题,成功研制了BGO量能器。2015年暗物质粒子探测卫星科学合作组正式成立,该实验室师生在科学合作组中承担了重要研究任务,深入参与了“悟空”卫星在轨探测和科学数据分析工作。

  

  

(中国科学技术大学粒子科学与技术中心、核探测与核电子学国家重点实验室、物理学院、科研部)


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