DAMPE的首个发现可能揭示暗物质研究的新方向

来源: 中国科学院

发布日期: 2017-11-30 06:20:00

DAMPE的首个科学成果在Nature上发表,展示了宇宙射线电子通量的精确测量结果,特别是在~0.9 TeV处的一个谱断点,这些数据可能为粒子暗物质的湮灭或衰变提供线索。

DAMPE的首个科学成果于11月30日在Nature上发表,展示了宇宙射线电子通量的精确测量结果,特别是在~0.9 TeV处的一个谱断点。这些数据可能为粒子暗物质的湮灭或衰变提供线索。DAMPE是由中国、瑞士和意大利的九个研究所在中国科学院紫金山天文台(PMO)的领导下合作完成的,得到了中国科学院空间科学战略性先导科技专项的资助。

作为中国第一颗天文卫星,DAMPE于2015年12月17日从中国酒泉卫星发射中心发射升空,进入太阳同步轨道。在约500公里的高度,DAMPE自发射一周后开始收集数据。在其前530天的科学运行中,DAMPE检测到了超过25 GeV的150万次宇宙射线电子和正电子。电子和正电子数据具有前所未有的高能量分辨率和低粒子背景污染。图1显示了DAMPE在25 GeV至4.6 TeV能量范围内的首次发表结果。

55 GeV-2.63 TeV能量范围内的光谱数据强烈倾向于平滑断裂幂律模型,而不是单一幂律模型。DAMPE直接检测到在~0.9 TeV处的谱断点,谱指数从~3.1变为~3.9。

根据DAMPE科学应用系统副总设计师FAN Yizhong的说法,对宇宙射线电子和正电子通量的精确测量,特别是TeV能量下的通量下降,大大缩小了诸如附近脉冲星、超新星遗迹和/或粒子暗物质候选者等模型的参数空间,这些模型被提出以解释PAMELA和AMS-02先前揭示的“正电子异常”。数据还暗示在1至2 TeV能量范围内存在光谱结构——这可能是附近宇宙射线源或外来物理过程的结果。

然而,需要更多的数据来探索这一现象。DAMPE已经记录了超过35亿次宇宙射线事件,最大事件能量超过~100万亿电子伏特(TeV)。预计DAMPE在其使用寿命内将记录超过100亿次宇宙射线事件——考虑到其仪器目前的状况,预计将超过五年。更多的统计数据将允许对高达~10 TeV的宇宙射线电子和正电子通量进行更精确的测量。

科学家还将能够探索由暗物质粒子湮灭/衰变或附近天体物理源(如脉冲星)产生的光谱特征。图2比较了DAMPE与其他实验测量的宇宙射线电子和正电子光谱的结果。DAMPE的结果展示了其在TeV能量窗口探索可能的新物理和/或新天体物理学的独特能力,这得益于其高能量分辨率、大型仪器接受度、广泛能量覆盖、优秀的电子/质子分离能力和长期工作寿命。DAMPE的首个科学成果是国际合作的一个里程碑。

该任务将继续研究银河系宇宙射线,直至电子/伽马射线达到~10 TeV,核子达到数百TeV。DAMPE数据有望在TeV窗口揭示宇宙的新现象。

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