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我校科研团队在“悟空”卫星核心探测器研制和科学数据分析中作出重要贡献


  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部分(能量低于1TeV)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11月30日在《自然》(Nature)杂志在线发表。

  

  “悟空”卫星在“高能电子、伽马射线的能量测量准确度”和“区分不同种类粒子的本领”两项关键技术指标方面世界领先,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(能谱指的是电子数目随能量的变化情况)信号。

  

  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,带领张云龙副研究员及博士后、研究生率先开发了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。该团队是暗物质粒子探测卫星国际科学合作组中独立的四个数据分析小组之一,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28亿例高能宇宙射线,其中包含约150万例25GeV以上的电子宇宙射线。基于这些数据,科研人员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。

  

  

  

  “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

  

  “悟空”卫星的电子宇宙射线的能量测量范围比起国外的空间探测设备(AMS-02、Fermi-LAT)有显著提高,拓展了我们观察宇宙的窗口;测量到的TeV电子的“纯净”程度最高(也就是其中混入的质子数量最少),能谱的准确性高;首次直接测量到了电子宇宙射线能谱在~1 TeV处的拐折,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。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。目前“悟空”卫星运行状态良好,正持续收集数据,一旦该精细结构得以确证,将是粒子物理或天体物理领域的开创性发现。

  

  附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2015年12月17日成功发射,是目前世界上观测能段范围最宽、能量分辨率最优的暗物质粒子探测卫星,其核心使命就是在宇宙线和伽马射线辐射中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国际科学合作组正式成立,该实验室师生在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。

  

  (中国科大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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