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暗物质粒子探测卫星立项背景
发布时间:2017-11-23 来源: 【字号:  

  宇宙线物理自1912HESS第一次探测到宇宙线至今已有一百年左右的历史,随着大量观测数据的积累,此领域已经取得了巨大的进步。然而,宇宙线领域仍然有许多的亟待解决的问题,如宇宙线的起源问题,加速机制问题,宇宙线“膝”的起源等问题。更为吸引人的是暗物质有可能湮灭或者衰变,从而产生正反粒子对(例如正负电子、正反质子、伽玛射线、正反中微子等),这些粒子对在太空中传播就成为宇宙射线的一部分。如能将这部分产物可靠的证认出来,就可以测量暗物质粒子的基本参量(包括质量、湮灭截面、寿命等)。因此宇宙射线探测是暗物质间接探测的重要组成部分。要解决如上问题需要对宇宙线的能谱、成分、空间分布进行高精度的测量。目前的宇宙线测量主要分为直接探测和地面探测两种:直接探测指探测器直接探测原初的宇宙线粒子,一般需在太空进行;间接探测则探测宇宙线和大气相互作用以后的反应产物,以此推断原初的宇宙线成分和能量。由于暗物质间接探测需要非常精确的能谱以及空间方位信息,所以主要依托于宇宙线的直接测量。 

  上个世纪的宇宙线测量取得了长足的进步。但是对于电子宇宙线的测量一直局限于1TeV以下的测量。事实上2000之前,高于100GeV的电子宇宙射线测量只有一组数据,而且误差极大。这主要是因为宇宙线中质子流量比电子流量高成百上千倍。要可靠的测量电子就必须精确的分辨质子和电子。之前国际上采用大型图像量能器或磁谱仪技术,难度大且费用高昂(例如AMS-02耗资近20亿美元) 

  1998年常进等人研究提出利用高能量分辨探测器来高精度观测级联簇射的能量沉积空间分布,由于采用三维立体探测簇射形状,对于同样厚度的探测器常进的方法比旧方法的电子质子鉴别本领得到显著提高,使得薄探测器可以高效地探测电子和γ射线,这显著的降低了探测器的技术难度并大幅度的降低了探测所需经费。为了寻找国际合作机会,常进到德国访问并向“ATIC”(美国南极气球项目,用以观测观测质子、氦核等)提出了合作建议。 

    1999年“ATIC”项目组对比了束流试验数据和常进方法模拟结果,决定接受常进的建议,采用他的数据处理方法来分析数据,证认电子宇宙射线。2000-2008ATIC共进行了3次科学飞行,获取3000多万个宇宙线粒子。

ATIC南极气球试验

    基于ATIC第2次飞行的数据,常进等人于2008年11月在《Nature》杂志上发表了《宇宙电子在3000-8000亿电子伏特能量区间发现“超”》论文,在国际上首次发现0.1-1TeV的电子宇宙射线流量与理论模型相比有超出,在国际上引发巨大反响。当期《Nature》的“The first author”栏在封底对常进进行了专访报道。该论文入选欧、美2008年度的物理学重要进展以及Science预期的2009年七大热点,还被评为2008年国内基础研究十大新闻

  常进在《Nature》上发表“宇宙电子在3000-8000亿电子伏特能量区间发现‘超’”

    2009年8月,时任国务委员的刘延东副总理视察紫台,对紫金山天文台常进团队十年来坚持不懈瞄准世界科技前沿开展暗物质空间探测,给予了极大关切。

刘延东副总理视察紫金山天文台

  2009年11月,香山科学会议召开空间观测暗物质粒子专题会议;与会专家围绕暗物质粒子理论研究、暗物质粒子空间观测、暗物质空间分布与天文观测、高能电子和伽玛射线的空间观测技术等中心议题进行深入讨论。大家一致表示,现阶段是暗物质研究的黄金时期,我国应抓住机遇,尽快参与到暗物质空间探测的研究当中。

  2011年1月,空间探测暗物质粒子纳入紫金山天文台“一三五”规划,常进等人开始立项前期论证工作。此前,暗物质粒子间接探测已获中国科学院方向性课题基金、国家自然科学基金委杰出青年基金、科技部973课题、江苏省自然科学基金攀登项目支持,进行探测器关键技术攻关、相关科学预研及六分之一原理样机研制工作。

暗物质粒子探测卫星原理样机

    2011年12月,暗物质粒子探测卫星正式立项启动,成为中国战略性先导科技专项空间科学专项首批四颗科学实验卫星之一。

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