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暗物质粒子探测卫星(DAMPE)的前世今生

2017-09-13 12:48     游戏     来自:牛人趣事

为了拨开暗物质这朵乌云,世界各国的物理学家们都在不断努力着。我国也充分认识到了这一前沿领域研究的重要性,所研制的暗物质粒子探测卫星正待出鞘。它的科学目标、探测原理是什么呢?我们一起来从讲座中寻找答案吧!


探测原理

DAMPE通过探测高能宇宙射线来探测暗物质。

1.什么是高能宇宙射线?

指的是来自宇宙中具有相当大能量的带电粒子流,1912年由德国科学家韦克多?汉斯发现。他制作了一个电离室,用于测量空气中的电离度(空气中的带电粒子数量)。同时期也有其他的科学家制作电离室,汉斯的创新之处在于,他将电离室放在热气球上,这样在放飞前,能测量出地面的电离度,放飞后,能测量出不同海拔高度的电离度。而汉斯的测量结果显示:海拔越高,电离度越大。


这说明带电粒子并不是地球产生的,否则不会越远离地面,电离度越高。也就是说,宇宙空间会产生带电粒子,再打到地球上。


宇宙线产生后,在银河系传播的过程中,有一定的几率逃脱银河系,跑到宇宙空间去,这样宇宙线的能量就会越来越低。但实际上宇宙线的能量是比较稳定的。这是因为宇宙线有源头,宇宙线的源头一般认为是超新星的爆发。当超新星爆炸的时候,会将自身的高能量粒子,例如氢核、氦核,以非常高的速度抛射到星系空间中。


2.为什么测量高能宇宙射线有可能发现暗物质?

宇宙线的源头一般认为是超新星爆发,而如果暗物质存在的话,暗物质湮灭的时候产生的宇宙线,就成为了宇宙线的额外来源,这时候探测到的宇宙线会不同于标准模型,多出来的一部分可能来源于暗物质湮灭或者衰变,对这多出的一部分进行探测,就是暗物质的间接探测。由诺贝尔物理学奖获得者丁肇中主持的AMS项目中的暗物质粒子探测卫星AMS-2,就是应用的这一原理。我国的暗物质粒子探测卫星也是一个宇宙线探测器,就是应用这类机制来探测暗物质。


DAMPE的科学目标

我国暗物质粒子探测卫星的主要科学目标有三个:一是暗物质间接探测,也是最主要的;二是寻找宇宙射线的起源;三是伽马射线天体物理。


DAMPE瞄准的科学目标非常前沿。美国国家研究理事会所提出的重大的宇宙物理学前沿问题中,第一个为暗物质,第六个是宇宙线。这两个都是DAMPE瞄准的目标。


DAMPE的结构及功能

1.我国暗物质卫星由哪几部分组成?

图1:DAMPE内部结构

从上往下依次是:塑料闪烁体探测器;Si阵列探测器;BGO量能器,中子探测器。


BGO量能器:一根根碳纤维管,搭建成阵列,然后插上一根根的BGO晶体。因为BGO晶体的生成非常困难,所以价值不菲,整个量能器仅晶体部分,就造价三千万左右。中科院上海硅酸盐所在BGO晶体生成领域全球领先,这些BGO晶体是由该所专门为DAMPE的需求设计的。


全部搭建完毕后,会将探测器放在中间,然后四周包上电子电路组成的探测系统。    

2.各自的作用是什么

塑料闪烁体探测器:区分电荷。电子和光子打进来,是不同的。


Si阵列探测器:测量宇宙线的方向和电荷。


BGO量能器:最为重要,测量宇宙线的能量。

中子探测器:区分质子和电子。如上图所示,质子打进来的话,在底端会产很多中子,而高能宇宙线的电子打进来,产生的中子很少。同时,不同能量产生的簇射的大小也不同。

3.我国暗物质卫星,从配备上说有哪些优势?

与国际上其它暗物质探测卫星相比,有三个显著优势。一是能够测量的宇宙线的能量非常高,可以测量到104个GeV;二是能量分辨率高,可以达到1%左右,测得比较准;三是测量能量的本底比较低,也就是区分电子和质子的能力非常强。



出品:科普中国

制作:悟空粉丝团
监制:中国科学院计算机网络信息中心




编辑:Aprilis


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