专访常进 | 暗物质：七个月前被“预言”的惊喜 7个月前

【编者按】

伦敦时间11月29日，国际权威学术期刊《自然》在线发表了中国科学家的一项研究成果：利用“悟空”卫星获得了世界上最精确的高能电子宇宙射线能谱，这将对判定能量低于1TeV（1TeV=1万亿电子伏特）的电子宇宙射线是否来自于暗物质起到关键作用，并有可能为暗物质的存在提供新证据。

7个月前，《环球财经》记者专访紫金山天文台副台长、中国科学院暗物质与空间天文实验室主任、暗物质和空间天文研究部主任常进后，在采访稿的导语中写道：代表中国制造最高水平的“悟空”号，极有可能在暗物质探测领域带来新的惊喜。

没想到，惊喜到来得如此之快。

科学家总能从怪异现象中找到灵感。上世纪30年代，瑞士天文学家弗里茨·兹维基（FritzZwicky）发现，星系团的总质量远大于根据发光度计算的结果，最多可能有99%的质量无法解释。也就是说，星系运动速度太快，仅靠发光物质束缚不住这些星系。兹维基因此推测星系团中存在大量不发光的物质，善于创造新名词的他把这种物质称为暗物质。

这为物理学开创了新的研究领域。从上世纪70年代开始，这种神秘物质就一直处于物理学研究的最前沿。但长期努力未能求得理想结果，科学界只是知道这种物质不仅“看不见”，其特性和标准物理模型中的任何基本粒子也都不相同，是一类全新的物质形态。

很多科学家都希望自己能揭开这种神秘物质的面纱。不过，如果时光倒流20年，常进应该不会想到自己会成为这些科学家中的一个。但随着他主导的“悟空”号暗物质探测卫星在2015年12月顺利升空，他和他的团队一下子就进入到暗物质间接探测竞赛的前沿。

每天，当“悟空”号卫星飞过中国，北京密云、新疆喀什和海南三亚的三个接收站就会接收数据，平均16G的数据会从500千米高的天空传回地面。之后，相当于10部高清电影的数据会被传送到北京的空间科学中心。在这里，来自不同接收站的数据经过还原和拼接，变成超过100G的数据包。接下来，这个数据包会传送到紫金山天文台供科学家分析。

在紫金山天文台三层的办公室，排满三面墙的17个显示器昼夜不停，科学家就从这里看到卫星的状况和数据分析的结果，数据的存储和运算则在隔壁几间被封锁起来的办公室进行。另外一面墙上安装了大屏幕，这样，世界各地的科学家就可以随时举行视频会议。

为了保证“悟空”项目的顺利进行，紫金山天文台有一个严格的排班表。项目开始之初，由于担心无法及时解决很多突发问题，很多人甚至凌晨三点就会来到实验室。到后来，随着一切都走上轨道，排班的频率才逐渐降低到每个人的体力可以吃的消的程度。

51岁的常进现在是紫金山天文台的副台长。他对暗物质的特性了如指掌：大约占宇宙总质量的27%，是可见物质的五倍多；不发光、数量多（每平方厘米每秒就有约10万暗物质粒子飞过）、寿命长（否则早就衰变成其他物质）、速度快（相当于子弹的600倍）。

尽管听起来清晰明了，但要通过实验手段观测到这些物质从而证明科学界的猜测，其难度之高就完全是另外一件事情了。暗物质完全不会与任何可见物质发生作用，科学家也就不能做出一个容器来捕捉这些暗物质。但暗物质并没有暗到无法被发现的地步，它的湮灭会放出伽马射线、中微子和其他带电高能粒子，这就为暗物质的发现提供了理论依据。

过去几年，常进一直在北京、上海、南京等几个城市之间穿梭，所有工作的目标都高度一致：寻找暗物质。现在，卫星已经运行超过一年。从统计学角度来说，他们已经能排除许多噪声。2016年10月，常进团队就在简单的数据分析后初步确定，他们有了新的发现。

不过，常进还是完全没办法放松。他不断出差协调各方，他不想这个过程有丝毫耽搁，也不想中间出现任何纰漏。他甚至提到了日本那颗用来研究黑洞的卫星“瞳”的解体和SpaceX火箭的爆炸，事故原因显而易见——前者因为代码错误，后者因为液氧罐故障，但避免差错就是很难，“我来自泰兴农村，这颗卫星可是泰兴几个乡农民的年收入啊！”

但这已经是成本最低的暗物质探测卫星了，“费用只有阿尔法磁谱仪的二十分之一”。建造尖端探测器时，科学家常有这样的说法，“只有建造一个不完美的探测器才能学习如何建造一个更好的探测器”。但常进说他们没机会这样做，他们必须做一个完美的东西出来完成既定的目标，因为一旦失败，影响的将不仅仅是一个暗物质探测项目。而《环球财经》与常进的对话，就从这颗耗资不菲但战绩不错的卫星——“悟空”号开始。

第三条技术路线

《环球财经》：间接探测暗物质入选中国科学院的战略先导专项中的空间科学项目，应该是2011年之后发生的事情。其实在2011年，丁肇中主导的阿尔法磁谱仪升空之后，探测暗物质的竞争已经相当激烈了。您选择的技术路线和丁肇中选择的路线有什么不同？

常进：原本，科学界认为通过加速器就可以找到暗物质。从本质上说，加速器探测就是通过高能粒子碰撞模拟宇宙大爆炸，将暗物质粒子打出来，然后观测其性质。在瑞士，当今世界上最大的加速器上有两个大型的实验装置——ATLAS和CMS就一直在做这方面工作。

这种方法在理论上简单直接，实现起来却困难重重，迄今为止都没有任何大型对撞机能给出让人兴奋的答案。其实，在发现新的粒子方面，对撞机的重要性似乎越来越不那么令人满意了：继希格斯玻色子以后，大型强子对撞机就再没碰撞出任何新的基本粒子了。

针对暗物质的第二种探测方法因此得到了大范围的应用。这种方法基于一种假设——暗物质粒子会和普通原子核——目前得到普遍应用的三种候选原子分别是硅、氙和氩碰撞，如果静止的原子核动了一下，就可能是暗物质碰撞引起的。之后，只要把这个碰撞转化成光信号、电信号或者热信号，科学家就能推断出暗物质的存在，进而研究它的性质。

另外，由于地球绕太阳公转，太阳又围绕着银河系的中心转动，地球在不同季节和暗物质的相对运动速度就不同，接触频率就不一样，据此绘制的曲线就有明显的季节特征。在南北半球各设置一个实验室，观测结果又能基本排除温度、湿度和大气差异导致的细微变化，科学家就能确定暗物质是否存在并在此基础上分析这种神秘物质的性质。

但这种观测方法有着非常苛刻的要求。因为地面上使用的材料里都有很微量的放射性元素，这些放射性元素衰变的时候，发出的能量范围和暗物质粒子碰撞范围一样；另外，天上也有大量高能粒子，高能粒子和大气作用产生的次级粒子也会影响对暗物质的观测。

要解决这些问题，最好的办法就是把检测装置埋藏在非常深的地下。放得越深，宇宙射线对观测的干扰就越小。在四川的雅砻江锦屏山隧道里，中国就建成了世界上最深的地下实验室，在这个位于地面以下2500米深的实验室里，宇宙射线通量可以降到地面水平的亿分之一。即便如此，在实际运行了六年时间之后，这里仍然没有发现暗物质的踪迹。

我们这个团队选择的是第三条技术路线，也就是到空间去探测暗物质粒子与暗物质粒子碰撞后产生的可见粒子。普通物质是盘状的，只有暗物质相互作用才能产生云状的伽玛射线分布。因此，只要在1亿电子伏特以上级别的能段上探测到伽马射线谱线，或者发现了球状或云状分布的伽马射线辐射，那就是暗物质存在的信号，我们那时候也就成功了。

《环球财经》：您提到瑞士，让我想起一个故事。2008年，您在《自然》杂志发表文章介绍了宇宙高能电子的异常发现，这被美国物理学会和欧洲物理学会评为当年世界物理学领域的最重大研究进展之一。但我们知道，这个事情其实和瑞士也是有关系的，对不对？

常进：这件事情说起来就要回到1998年。当时，我在德国做访问学者时得知美国要在南极进行一个科学计划，这个计划的主要内容是向天空发射一个几千平方米大小的气球，并通过气球上的装置来观测宇宙射线。根据我当时的想法，我们完全可以在不增加预算、也不对现有装置进行大规模改进的情况下观测宇宙中的高能电子和伽马射线。后来，我就说服美国科学家把探测器送到瑞士的加速器上做试验，实验结果证明我提出的方法完全可行。

2000年底，这个气球在37千米高的天空完成了高能粒子观测。结果，我们意外地发现观测得到的高能电子流量远远超出模型预计的流量。我们这些做理论的知道这意味着什么，暗物质的反物质就是其本身，两个暗物质粒子碰撞会产生电子、伽马射线等高能粒子。如果监测到的高能电子和伽马射线远超预期，不明来历的那部分很可能源自暗物质。

这个项目美中不足的地方是，气球留在空中的时间太短了，一共只有20多天，而且精度也不高。要证明暗物质的存在，我们必须通过大数据分析避免统计涨落，才能证明一种具有完全不同性质的新物质存在。要实现这样的目标，这个气球提供的数据远远不够。

《环球财经》：现在，有三条技术路线同时探测暗物质。2016年3月，丁肇中宣布最快可能也要在2024年证实暗物质的存在；7月21日，锦屏地下实验室负责人季向东宣布，实验室在此前100天记录的3000万次事件中仅有一个可疑，这个事件最后也被证实源自材料的放射性。现在，进展最顺利的反而是最后开始的空间项目。那么，如果“悟空”号率先发现了暗物质，是不是可以宣布另外两种探测方式的失败呢？

常进：完全不会，发现暗物质只是了解暗物质的第一个步骤。而在了解暗物质上，三种方法理论上来说是互为补充。如果“悟空”号找到的暗物质粒子的质量超过现有加速器的能量上限，加速器的能量就必须提高，地下直接探测实验的方案也就有了明确的努力方向。

按照最初的规划，“悟空”号将在升空后的两年时间内完成一次全天扫描；之后一年，再对暗物质较多的地方进行针对性扫描。这样，在三年设计寿命到期前，“悟空”号将给出很多关于暗物质的证据，由此积累的大量数据也是进一步分析的基础。到目前为止，卫星的运行状况还是非常好，我想我们非常有希望超额实现我们当初制定的目标。

正面竞争与迂回研究

《环球财经》：我们知道，对于做科学研究来说，上世纪的90年代绝对不算是一个黄金年代，因为科学家手里的经费实在太少了。您在进入紫金山天文台的时候又是进的空间天文实验室，那么，将研究方向调整到暗物质上是究竟有意为之还是无心插柳？

常进：你说的很对。我是1992年从中国科学技术大学毕业来到紫金山天文台的，当时正赶上我们国家搞大规模的机构改革，所有机构的经费都在削减。那之前，科学界的钱就不多；到了那两年，基础研究的经费就更少了。但科学就是这样，资金充裕的时候可以和对手正面竞争，资金不多的时候也可以换个方式迂回开展研究，创新不就是这么回事嘛。

我们当时研究了欧美的科学计划，发现绕过哈勃望远镜和红外及X射线空间望远镜建立的壁垒，研究高能粒子和伽马射线是最好选择。如果跟着欧美，我们这一代科学家可能什么成就都没有。至于后来调整到暗物质上，那绝对是巧合。我们也是到了很后来才发现，10亿电子伏特以上能段正好是探测暗物质的最佳窗口。但那之前，我们真没计划过。

《环球财经》：所以，科研经费多起来后，您马上意识到探测暗物质最好办法就是卫星？我们知道我们国家的航天很厉害，卫星尤其如此，那么制造这颗卫星的难点究竟在哪里？

常进：几乎所有科学家得到的关于宇宙的知识都是来自电磁波段实验积累的数据。400年前，伽利略用自制的望远镜开始探索可见光世界。从那时开始，天文学家把观测设备的能力不断提升。他们学会了观测无线电波、微波、红外线、紫外线、X射线以及伽马射线等，从而揭示了船底座星云中恒星的诞生，土星第八颗卫星上面喷泉的喷射，找到了银河系的中心位置，探测到了类似地球的行星。但是，95%的宇宙是无法用传统的天文学手段观测到的。要想了解到这部分宇宙，科学家就必须借助不断升级的技术积累下的大量数据。

我应该是2002年第一次申请的暗物质探测卫星计划。但当时，我们国家还是没能力支撑这个项目。当年，我们国家的基础研究经费一共才80多亿，迫在眉睫的科学任务又太多，我这个项目被放在后面考虑也很正常。后来，我又申请了十来次，终于批了下来。

以目前视角看，“悟空”号应该是中国制造的巅峰。1立方米的探测器里，一共集成了75916个子探测器，4个核心部件可以将高能粒子能量转化为光信号和电信号，从而精确测出粒子的能量、发射方向等性质。连接核心部件的是616支光电倍增管、616路高压电缆、1848路信号电缆、4.5万个高压焊点、16块电子学板、92只接插件和136路热电。

这里面很多不起眼的部件都有严苛的标准，例如分压板只有两枚硬币大小，但要控制18万倍的电压范围，硅微条探测器上的硅微条只有100多微米宽，重量接近卫星总重量一半的BGO量能器上的BGO晶体边长达到了60厘米，这比之前的世界纪录长了整整一倍。

而且，以传统视角观察，这颗卫星太不安全了。它的重量是1.8吨，但载荷重量超过1.4吨，载荷和卫星平台的质量比达到了3:1。经过多年发展，中国确实不缺少卫星发射能力，但把一颗载荷与卫星平台质量比超过1的卫星送上天，对中国来说还是第一次。所以，我们发射的时候，光是预案就做了100多个，真是怕出问题啊，所幸一切都很正常。

【来源】

采访完成于2017年5月，本文刊发于《环球财经》2017年7月刊，文章原标题：《寻找另一个世界——专访紫金山天文台副台长常进》/作者：刘洋

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