中科院公布暗物质相关重大发现

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北京时间11月30日凌晨2时，暗物质粒子探测卫星“悟空”的首篇论文成果在顶级学术期刊《自然》上在线发表。基于在轨运行的前530天收集的28亿高能宇宙射线，“悟空”科研团队成功获取了目前国际上精度最高的电子宇宙射线探测结果。

值得一提的是，暗物质卫星首席科学家、紫金山天文台副台长常进在发布会上介绍到，数据初步显示，约1.4TeV（万亿电子伏特）处发现了异常的能谱精细结构，可能是新粒子存在的证据，也可能来自于某种天体物理现象。

一旦该精细结构被后续数据确认，将是粒子物理或天体物理领域的突破性发现。

“经济适用型”的“火眼金睛”

“悟空”将在下个月迎来发射2周年纪念日。“悟空”卫星是中国科学院空间科学战略先导专项的首发星，也是中国首颗天文卫星。取名“悟空”，卫星被寄予了通过“火眼金睛”探测宇宙暗物质的使命。

占据宇宙95%密度的暗物质与暗能量虽不可见，但科学家们推测，暗物质粒子湮灭和衰变后，可能会产生看得见的普通高能粒子。只是这些粒子的信号十分微弱，容易被宇宙射线背景信号淹没，因此，“悟空”的“火眼金睛”，本质上就是高能量分辨、高空间分辨、高统计量、低本底的高能粒子望远镜。“悟空”探测器具体包括塑闪阵列探测器、硅径迹探测器、BGO量能器和中子探测器4个载荷。

常进最早在1998年提出了分辨粒子种类的新探测技术，能实现对高能电子、伽玛射线的“经济适用型”观测，尤其适合寻找暗物质粒子湮灭过程产生的一些非常尖锐的能谱信号。所谓能谱，就是电子数目随能量的变化情况。

精度最高的电子能谱

为了寻找暗物质，“悟空”特别关注的特征性信号有三种：伽玛谱线、晕状分布伽玛射线和奇异电子能谱结构。它平均每秒，就能捕获60个高能粒子。

常进介绍道，“悟空”在轨运行的前530天采集了约28亿高能宇宙射线，其中包含约150万25GeV以上的电子，基于这些数据“悟空”给出了目前国际上精度最高的电子宇宙射线探测结果。

比起国外的空间探测设备，如美国费米卫星和丁肇中先生领导的阿尔法磁谱仪， “悟空”卫星的电子宇宙射线的能量测量范围有显著提高。

其次，“悟空”测量到的万亿电子伏特级别的电子 “纯净”程度最高，也就是其中混入的质子数量最少。

最后，“悟空”卫星首次直接测量到了电子宇宙射线能谱在约1 TeV处的拐折，该拐折反映了宇宙中高能电子辐射源的典型加速能力，其精确的下降行为对于判定部分（能量低于1 TeV）电子宇宙射线是否来自于暗物质起着关键性作用。

异常的尖锐能谱

更加惊喜的是，在1.4TeV处，“悟空”的数据里呈现出一个尖锐结构，这是之前所有人都未曾预测到的。

中国科学院大学常务副校长吴岳良院士解读认为，除非有新的机制，否则天体物理将不能给尖锐能谱提供合适的选项。也就是说，尖锐能谱可能给暗物质的存在提供了新的证据。

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说道，“悟空”仍需要更多的时间，来排除数据波动的影响。这个异常如果最后得到确认，留给理论物理学家的选择并不多：这是一种能量非常高的粒子，速度只比光速慢十万亿分之一，且距离地球很近。

常进说道，目前，“悟空”运行状态良好，可以打满分，正在持续收集数据。他希望，在明年年底的时候，能够对此有更明朗的判断。

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如果人类转化成暗物质会怎样？立即“隐形消失”

如果你的身体里所有粒子都被转化为暗物质粒子，你会发生怎样的变化呢？

　　在地球上，我们是由正常物质构成——大部分是原子形式。在亚原子等级，人体原子核通过强核力结合在一起，从而使元素周期表中大量元素能够稳定共存在人体之内。电磁力将我们的身体聚合在一起，这些原子结合形成分子、细胞、器官和整个身体。地球引力作用使人体保持在地面上，而地球上原子之间的电磁力阻止我们“跌穿”地面，与此同时，地球围绕太阳运转，太阳在银河系以独特曲线轨迹运行。

但如果不在正常情况下，我们的身体成分转变为暗物质，那将发生怎样的变化呢？

　　如果人体不是标准模型粒子构成，而是经历所有基本力的完全集合作用，我们将过渡为由粒子构成，依据当前我们所知，它们将仅与引力发生交互作用吗？首先，发生在你身体上的变化是你的身体将不再以任何方式聚合在一起，其他人会发现你立即消失。将人体原子核和质子结合在一起的核力将消失，导致原子和分子聚合在一起的电磁力将消失，你的细胞、器官和完全身体将无法聚集在一起。

　　相反，由于这些粒子热运动的平均速度大约3000米/秒（对于每个质子和中子），一旦暗物质进入你的身体，将在你体内四处分散，以任意方向移动。但即使在这种速度下，这些暗物质粒子仍被束缚在地球上，因为它们仍低于逃逸地球引力牵引的速度要求。

每个粒子，尽管在许多随机方向上移动，却能突然进入一个以地球为中心焦点的椭圆轨道，如果没有电磁力阻止暗物质穿过地球，那么它就会这样做，直至它反弹至最初位置：一段大约88分钟的旅程。

　　值得注意的是，构成你身体的暗物质粒子不会损耗任何能量，因为除了引力之外没有其它作用力对暗物质发生作用，它们将继续无限期延续其轨道运行。有时在地球表面升起，再返回到构成人体的最初位置，尽管两者不是同一时间。你永远不会使用暗物质粒子重塑你原始身体结构，但是每个粒子都会穿过你身体所在的位置，那一刻它将变成暗物质。

因为地球、太阳、银河系以及我们所知的一切事物都遵循万有引力定律，这是最终导致暗物质表现不同于地球原子的唯一不同作用力。作用于地球旋转的月球和太阳潮汐牵引力，将导致地球自转非常缓慢地减弱，大约每年会延长时间10-20微秒。每天的时间轻微延长，意味着地球表面的任何事物，从地面至海洋和大气层，都需要花费更长的时间才能返回起始点。

　　由于地球自转速度逐渐变慢，暗物质将随着时间缓慢地漂移，远离其初始位置。暗物质不再受引力之外任何作用力的影响，因此即使地球自转速度改变，暗物质也不会发生反应。仅一年之后，暗物质返回的位置将减小0.5米，随着时间的推移，将以几何级数增长。十年之后，你最后的一个位置将与暗物质返回位置相距0.5公里。

只要存在地球引力，太阳系和银河系仍然正常运转，那么曾构成你身体的暗物质仍被束缚在地球上。它将相对于其它所有物质产生漂移，在一个近似椭圆的轨道上运行，在地球内部度过大部分时间。偶尔它将返回你身体的原始位置，因为暗物质在工作期间不会损耗作用力。没有其它作用力，如果你变成了暗物质，你就会停止作为一个被束缚的实体存在，这是真的。

　　但如果没有这些耗散力，这些暗物质粒子将回到你的身体初始位置，即使随着时间的推移，地球自转速度发生了变化。在最基本的方式下，能量和动量的真实守恒，将解释暗物质的行为特征。