中國空間站的高能宇宙輻射探測設(shè)施

張雙南 徐明 董永偉 常進(jìn)（ 中國科學(xué)院高能物理研究所 中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)）

大量的天文觀測證據(jù)表明，暗物質(zhì)不但存在，而且主導(dǎo)宇宙的物質(zhì)分布。但是目前人類對(duì)于暗物質(zhì)粒子的性質(zhì)還幾乎一無所知，關(guān)鍵就在于還沒有探測到暗物質(zhì)粒子，這是人類對(duì)宇宙認(rèn)識(shí)的重大缺憾之一。現(xiàn)代物理學(xué)理論的有些模型預(yù)言了種類繁多的候選暗物質(zhì)粒子，但是無法明確說明哪種粒子就是暗物質(zhì)粒子，所以最終探測到并且測量暗物質(zhì)粒子的性質(zhì)將能夠?qū)τ诨A(chǔ)物理學(xué)理論的發(fā)展起到巨大的推動(dòng)作用。

根據(jù)不同的理論模型所預(yù)測的暗物質(zhì)粒子的性質(zhì)，對(duì)于這些候選暗物質(zhì)粒子有不同的探測和搜尋手段。最近幾年的地下、地面和空間暗物質(zhì)探測對(duì)暗物質(zhì)粒子的性質(zhì)給出了一些約束、甚至有一些探測到的跡象，但是暗物質(zhì)粒子存在的可靠證據(jù)仍然十分缺乏，使得暗物質(zhì)粒子的探測成為國際科學(xué)前沿競爭最為激烈的研究領(lǐng)域。國際上不斷有各種各樣新的暗物質(zhì)粒子探測或者搜尋的實(shí)驗(yàn)投入運(yùn)行或者部署中，尤其是“國際空間站”已經(jīng)成為國際上最重要的通過探測高能宇宙輻射探測和搜尋暗物質(zhì)的國際實(shí)驗(yàn)室，而且其規(guī)模正在迅速地大幅度擴(kuò)展。

中國科學(xué)家利用后發(fā)優(yōu)勢，制定了中國的空間暗物質(zhì)搜尋路線圖，規(guī)劃了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，一個(gè)是正在建造的“暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星”（DAMPE），另外一個(gè)就是將在中國空間站部署的高能宇宙輻射探測設(shè)施（HERD），這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的先后實(shí)施將使中國在這個(gè)領(lǐng)域保持領(lǐng)先并且做出重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)，這是中國科學(xué)界的一個(gè)重大機(jī)遇。毫無疑問，HERD實(shí)驗(yàn)將成為中國空間站的標(biāo)志性實(shí)驗(yàn)。

1 任務(wù)背景

暗物質(zhì)存在的天文觀測證據(jù)

在過去幾十年對(duì)宇宙成分精細(xì)觀測的基礎(chǔ)上，人們認(rèn)識(shí)到，普通物質(zhì)僅占整個(gè)宇宙能量密度4%，而暗物質(zhì)則占據(jù)了23%，剩余的73%是一種導(dǎo)致宇宙加速膨脹的暗能量。暗物質(zhì)與普通物質(zhì)只發(fā)生引力相互作用，是唯一聯(lián)系已知世界和暗物質(zhì)的紐帶。對(duì)于這種既不發(fā)光，也不吸收反射光的存在的本質(zhì)，仍然不清楚。

星系的旋轉(zhuǎn)曲線是暗物質(zhì)存在最早也是最直觀的觀測證據(jù)。按經(jīng)典物理理論，星系中天體公轉(zhuǎn)速度與其距離星系中心的距離以及這段距離內(nèi)的總質(zhì)量符合開普勒定律，在星系核中可見物質(zhì)一定的情況下，外圍天體的公轉(zhuǎn)速度一定逐次減小。然而，對(duì)大多數(shù)星系的觀測顯示，當(dāng)距離星系中心的距離增加到一定程度后，公轉(zhuǎn)速度近似是一個(gè)常數(shù)，且一直延伸到可測的星系最外圍。觀測到曲線表明星系內(nèi)存在更多的物質(zhì)，即僅通過引力效應(yīng)表現(xiàn)出來的暗物質(zhì)。

渦旋星系M33的旋轉(zhuǎn)曲線

“錢德拉”X射線空間望遠(yuǎn)鏡觀測子彈星系團(tuán)的推論結(jié)果

星系團(tuán)中的各個(gè)星系物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)速度很快，快到依靠星系團(tuán)中的可見物質(zhì)根本無法約束這些星系。而星系團(tuán)的穩(wěn)定存在，表明了其中應(yīng)該有更多的物質(zhì)，由引力相互作用約束這些星系。在兩個(gè)星系團(tuán)的碰撞過程中，暗物質(zhì)成分可以不受影響的相互穿過。然而，星際氣體這種星系中最主要的普通物質(zhì)成分，則會(huì)因?yàn)橄嗷プ饔枚鴾p慢相對(duì)速度。經(jīng)過一段時(shí)間后，星系團(tuán)中混合在一起的暗物質(zhì)成分和發(fā)光物質(zhì)成分就會(huì)被分離開。“錢德拉”X射線空間望遠(yuǎn)鏡對(duì)子彈星系團(tuán)的觀測，是近些年來天文研究對(duì)暗物質(zhì)觀測最重要的結(jié)果。

對(duì)宇宙微波背景輻射（CMB）的空間觀測也是支持暗物質(zhì)存在的有力證據(jù)，并賦予了更多理論模型架構(gòu)的條件。“威爾金森微波各向異性探測衛(wèi)星”（WMAP）實(shí)驗(yàn)近期公布的對(duì)微波背景各向異性的精確測量，確定宇宙中暗物質(zhì)的總量占整個(gè)宇宙組分的23%。

暗物質(zhì)粒子存在的理論依據(jù)和研究的重大意義

粒子物理學(xué)中的標(biāo)準(zhǔn)模型取得了極大的成功，但是標(biāo)準(zhǔn)模型中沒有一種粒子是暗物質(zhì)粒子合適的候選者。暗物質(zhì)大量存在于宇宙中得到大部分人的認(rèn)可，但關(guān)于暗物質(zhì)的基本問題，即它的本質(zhì)是什么，由什么基本粒子組成仍然沒有得到回答。標(biāo)準(zhǔn)模型不能解釋暗物質(zhì)，因此必須引入更為基本的理論模型，來解釋暗物質(zhì)粒子。這對(duì)于人類認(rèn)識(shí)物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)和相互作用至關(guān)重要，也是為什么天文學(xué)家和粒子物理學(xué)家乃至整個(gè)科學(xué)界都熱切關(guān)心暗物質(zhì)的原因。

暗物質(zhì)粒子的探測和搜尋方法

通常有三種探測機(jī)制了解暗物質(zhì)的本質(zhì)：直接探測、加速器實(shí)驗(yàn)探測和間接探測。

直接測量暗物質(zhì)粒子與探測器的相互作用，即通過暗物質(zhì)粒子在普通物質(zhì)上的散射，通過俘獲到的散射信號(hào)進(jìn)行探測。國際上有美國的“低溫暗物質(zhì)搜尋實(shí)驗(yàn)”（CDMS-II）和“液氙暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)”（XENON）,意大利的“超純碘化鈉暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)”（DAMA）等實(shí)驗(yàn)；國內(nèi)有錦屏山地下部署的“中國暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)”（CDEX）和“大型暗物質(zhì)探測實(shí)驗(yàn)”（PandaX）。

暗物質(zhì)粒子可以在加速器上通過對(duì)撞的方式被創(chuàng)造出來，可以通過探測器中丟失的能量和分布來探測暗物質(zhì)和推測暗物質(zhì)的性質(zhì)。目前，歐洲核子中心（CERN）的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）上的“超環(huán)面儀”（ATLAS）、“緊湊型繆子螺線管探測器”（CMS）等實(shí)驗(yàn)也在積極的尋找類似的信號(hào)。

利用暗物質(zhì)粒子在宇宙中大量存在的特點(diǎn)，尋找宇宙中暗物質(zhì)粒子之間相互作用的產(chǎn)物包括正負(fù)電子，正反質(zhì)子，光子，中微子等，稱為暗物質(zhì)的間接探測。暗物質(zhì)的間接探測主要基于空間實(shí)驗(yàn)。空間實(shí)驗(yàn)間接探測可以了解暗物質(zhì)在整個(gè)宇宙或者特定星系中的情況，與暗物質(zhì)的空間分布、作用本質(zhì)聯(lián)系更加緊密。這類實(shí)驗(yàn)主要包括“高能γ射線試驗(yàn)望遠(yuǎn)鏡”（EGRET）、“費(fèi)米”（Fermi）γ射線空間望遠(yuǎn)鏡實(shí)驗(yàn)，α磁譜儀－2（AMS02）等，以及我國將部署的“暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星”和HERD。

暗物質(zhì)粒子搜尋現(xiàn)狀

（1）加速器實(shí)驗(yàn)。現(xiàn)有的加速器實(shí)驗(yàn)還沒有給出明確結(jié)果。

各家實(shí)驗(yàn)正電子比例的觀測結(jié)果

（2）地下直接探測實(shí)驗(yàn)。2008年, 意大利的“超純碘化鈉暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)”從12年的連續(xù)積累中得到了8.2倍顯著度的年調(diào)制效應(yīng)。“超純碘化鈉暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)”看到的年調(diào)制效應(yīng)，可能就是人們長期以來尋找的暗物質(zhì)信號(hào)。但該實(shí)驗(yàn)的觀測結(jié)果并沒有被其他直接探測實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。2010年美國的“液氙暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)”公布了新的觀測結(jié)果,進(jìn)一步限制了暗物質(zhì)存在的參數(shù)空間。

（3）空間間接探測實(shí)驗(yàn)。“高能反物質(zhì)望遠(yuǎn)鏡”（HEAT）氣球?qū)嶒?yàn)在1994-2000年之間測量顯示在8GeV附近宇宙線正電子有著反常的超出。隨后“帕梅拉”（PAMELA）衛(wèi)星探測結(jié)果顯示，10GeV以上的正電子比例比通常的模型計(jì)算值要高出最多1個(gè)量級(jí)。2013年4月，α磁譜儀－2實(shí)驗(yàn)公布了正電子比例譜的測量結(jié)果，在10GeV處并沒有觀測到“帕梅拉”正電子的超出現(xiàn)象。但是在高能段，存在著正電子比例的超出。在對(duì)這些實(shí)驗(yàn)的理論解釋中，暗物質(zhì)模型和脈沖星模型都可以解釋正電子比例的超出。因此，究竟是哪種物理過程產(chǎn)生了這些超出的正電子，需要更高能量的精確測量。

在電子的觀測方面，2008年以中美科學(xué)家為主的“南極長周期氣球探測器”（ATIC）發(fā)表了宇宙線高能電子觀測結(jié)果。該探測器發(fā)現(xiàn)高能電子流量在300～800GeV能區(qū)比理論模型高了將近3倍。這些超出可以被解釋為暗物質(zhì)粒子湮滅或衰變的產(chǎn)物。2013年7月，α磁譜儀－2實(shí)驗(yàn)公布了其電子觀測能譜，并沒有看到“南極長周期氣球探測器”和“費(fèi)米”觀測到的超出。α磁譜儀－2的結(jié)果顯示，以前電子能譜的超出可能并不存在，在1TeV能區(qū)以內(nèi)通過電子能譜的測量可能看不到暗物質(zhì)的蹤跡，對(duì)暗物質(zhì)產(chǎn)生的電子的搜尋，重點(diǎn)將會(huì)集中在更高的能區(qū)上。

綜上所述，加速器上的實(shí)驗(yàn)?zāi)壳皼]有明確的給出暗物質(zhì)搜尋的結(jié)果；地下直接探測的實(shí)驗(yàn)對(duì)暗物質(zhì)存在的參數(shù)空間給出了一定的限制；空間間接探測實(shí)驗(yàn)看到了一些暗物質(zhì)粒子存在的跡象，但仍需要進(jìn)一步的數(shù)據(jù)積累以及更高能量的精確測量，以確定這些信號(hào)究竟是來自于暗物質(zhì)或是其他天體物理過程。

從暗物質(zhì)的概念被提出至今，從星系到星系團(tuán)以及宇宙微波背景輻射各種尺度引力效應(yīng)的天文觀測中，都提供了暗物質(zhì)大量存在于宇宙中的證據(jù)，對(duì)暗物質(zhì)的研究是現(xiàn)代天體物理學(xué)和粒子物理學(xué)的重要課題。暗物質(zhì)的研究結(jié)果可能導(dǎo)致粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型和大爆炸宇宙論的完善，更新甚至揚(yáng)棄，預(yù)示著人類對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)的新的革命。

2 中國空間站的高能宇宙輻射探測設(shè)施

探測暗物質(zhì)粒子的本質(zhì)是當(dāng)代物理學(xué)和天文學(xué)中的重大科學(xué)問題，這一問題的解決將直接推進(jìn)人類對(duì)宇宙的演化，對(duì)物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)和基本相互作用的理解，也將是人類對(duì)自然界認(rèn)識(shí)革命性的飛躍。目前，各個(gè)國家都在集中人力、物力和財(cái)力，開展這一方向的研究。暗物質(zhì)的探測也正處于蓬勃發(fā)展的階段，未來10～20年將是暗物質(zhì)探測的一個(gè)黃金時(shí)代。

在直接探測方面，世界上有近20家實(shí)驗(yàn)在運(yùn)行和建設(shè)，并且實(shí)驗(yàn)的規(guī)模在不斷擴(kuò)大，搜尋的參數(shù)空間更加寬廣，探測的靈敏度在不斷提高；在對(duì)撞機(jī)探測方面，歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)正在獲取數(shù)據(jù)，暗物質(zhì)粒子搜尋仍然是大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的重要目標(biāo)之一。在空間探測方面，“費(fèi)米”和α磁譜儀－2實(shí)驗(yàn)繼續(xù)運(yùn)行，新的“量能器電子望遠(yuǎn)鏡”（CALET）和“宇宙射線質(zhì)能探測器”（CREAM）實(shí)驗(yàn)將陸續(xù)投入“國際空間站”運(yùn)行，γ－400（GAMMA400）衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)也在部署中。國際上關(guān)于暗物質(zhì)探測的競爭前所未有的激烈，暗物質(zhì)的搜尋是突破性發(fā)現(xiàn)的一個(gè)制高點(diǎn)。

HERD基線設(shè)計(jì)示意圖

我國科學(xué)家在暗物質(zhì)理論研究方面已取得了一些顯著的成果。但整體水平而言，特別是在自主領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)研究方面，與世界水平還有一定的差距。結(jié)合國際上在這一領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀發(fā)展趨勢以及我國的具體情況，經(jīng)過多年的探討和研究，我國已經(jīng)繪制了開展暗物質(zhì)探測的路線圖。在中國的錦屏深地實(shí)驗(yàn)室，正在開展“中國暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)”和“大型暗物質(zhì)探測實(shí)驗(yàn)”。

兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，還有更多的地下暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)在規(guī)劃中。中國即將發(fā)射的“暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星”，在空間探測暗物質(zhì)粒子方面將具有很好的潛力和國際競爭力。

晶體單元的光纖耦合

為了搶占空間暗物質(zhì)探測的制高點(diǎn),中科院高能所、紫金山天文臺(tái)等單位聯(lián)合提出了下一代的能夠同時(shí)進(jìn)行暗物質(zhì)的間接觀測和宇宙射線的直接測量的空間站前沿研究項(xiàng)目，稱為HERD。HERD以全新的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，兼具高粒子鑒別能力、高能量分辨率、大大擴(kuò)展的探測能區(qū)等突出的優(yōu)勢，成倍和成量級(jí)地?cái)U(kuò)大了探測能力，將成為屆時(shí)在國際上最具優(yōu)勢的暗物質(zhì)空間探測設(shè)施。

HERD方案初步設(shè)計(jì)

HERD載荷由中心的三維成像量能器和包裹量能器五面的硅微條徑跡探測器組成。頂部徑跡探測器由7層硅微條探測器和鎢板構(gòu)成，每層硅微條探測器都按照x-y方向垂直放置。頂部硅探測器可以實(shí)現(xiàn)徑跡測量、電荷測量、簇射反沖識(shí)別以及光子簇射的早期發(fā)展。4個(gè)側(cè)面放置同樣的硅探測器。量能器為邊長63cm的立方體結(jié)構(gòu)，用硅酸釔魯（LYSO）立方晶體拼接而成。每一個(gè)晶體立方大小為3cm×3cm×3cm，采用盤繞光纖引出閃爍光信號(hào)，用帶有像增強(qiáng)功能的電荷耦合元件（ICCD）進(jìn)行多路光電轉(zhuǎn)換讀出。

（1）量能器晶體陣列

量能器由LYSO立方晶體拼接而成，顆粒度3cm是可實(shí)現(xiàn)科學(xué)能力后的最優(yōu)尺寸。每個(gè)晶體采用波長轉(zhuǎn)移光纖轉(zhuǎn)移并引出晶體的閃爍光子信號(hào)。為保證達(dá)到3個(gè)總核作用長度，量能器由21×21×21陣列的晶體組裝而成。對(duì)入射粒子的能量探測的上限和精度依賴于探測器的縱向深度。縱向深度不夠，則高能區(qū)的能量分辨會(huì)很差。HERD遠(yuǎn)遠(yuǎn)比“費(fèi)米”好的能量分辨率和遠(yuǎn)遠(yuǎn)比AMS02大的有效幾何因子保證了其有無法比擬的暗物質(zhì)搜尋能力。

（2）ICCD系統(tǒng)

ICCD系統(tǒng)包括像增強(qiáng)器、光學(xué)耦合組件、CCD相機(jī)3個(gè)部分。

（3）硅微條徑跡探測器

像增強(qiáng)器、光錐、ICCD系統(tǒng)

ICCD讀出系統(tǒng)功能框圖

頂面硅微條陣列的布局（側(cè)視圖）

硅微條徑跡探測器包括頂面徑跡探測器和4個(gè)側(cè)面徑跡探測器，統(tǒng)稱STK。頂面STK采用8層碳纖維蜂窩板來支撐7組（X,Y）硅微條探測器和鎢板。為了滿足對(duì)量能器有效立體角的覆蓋，頂面探測器陣列的橫向有效幾何尺寸為80cm×80cm。4個(gè)側(cè)面的STK有效尺寸各為80cm×70cm，同樣由7組（X，Y）硅微條探測器構(gòu)成。在STK的表面覆蓋一層塑料閃爍體，以識(shí)別帶電粒子并實(shí)現(xiàn)快觸發(fā)，同時(shí)完成對(duì)伽瑪光子的反符合。

（4）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

量能器晶體陣列分為21層，每層豎直擺放，由碳纖維材料制成箱式結(jié)構(gòu),采用豎直向下吊裝的形式安裝到位。設(shè)備箱下層安裝多套ICCD系統(tǒng)和一套量能器觸發(fā)系統(tǒng)。探測光纖束和觸發(fā)光纖束分別引入這些設(shè)備中。

硅微條探測器的主體支撐結(jié)構(gòu)采用碳纖維蒙皮的蜂窩板，在蜂窩板的四周需采用碳纖維空心桿件進(jìn)行加強(qiáng)，整體多層結(jié)構(gòu)采用四個(gè)支撐腿在4個(gè)角做支撐。

HERD量能器的優(yōu)勢和國際影響

接受度更高。空間中的入射粒子分布是各向同性的。傳統(tǒng)的空間高能粒子載荷，主要使用頂面入射的量能器和磁譜儀的模式，只能接受探測器頂面小角度入射的事例，如“費(fèi)米”，α磁譜儀－2以及“暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星”，因此載荷利用率極低。HERD的三維成像量能器為五面靈敏，極大的提高了探測的有效接收度，在同等的時(shí)間內(nèi)取得的觀測顯著度要比傳統(tǒng)載荷高很多。

單層晶體陣列和光纖排布示意圖

左：蜂窩板結(jié)構(gòu)及支撐；右：頂面徑跡探測器裝配示意圖

設(shè)備箱內(nèi)各設(shè)備安裝位置示意圖

HERD有效載荷整體效果圖

HERD性能指標(biāo)

能量上限和探測精度更高。對(duì)入射粒子的能量探測的上限和精度，依賴于探測器的縱向深度。縱向深度不夠，則高能區(qū)的能量分辨會(huì)很差（如“費(fèi)米”，100GeV能量分辨為10%）。取樣式的量能器由于取樣漲落也會(huì)對(duì)能量分辨造成較大的影響（如α磁譜儀－2，100GeV能量分辨為2%）。HERD為一個(gè)縱向深度55輻射長度的全吸收式量能器，將會(huì)是空間中最厚的一個(gè)探測器，首先能量分辨可以得到保證；其次，將會(huì)達(dá)到以前實(shí)驗(yàn)所不能觸及的高能區(qū)；最后，空間中存在大量的宇宙線本底，排除宇宙線本底的影響，取決與量能器的結(jié)構(gòu)，毫無疑問，三維式顆粒的結(jié)構(gòu)能夠最大程度上的還原事例的原始信息，對(duì)于獲得一個(gè)干凈的能譜是至關(guān)重要的。

HERD技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

各空間實(shí)驗(yàn)主要性能參數(shù)對(duì)比

總結(jié)而言，五面靈敏、大縱向深度、全吸收式的三維量能器，是HERD探測方案的創(chuàng)新點(diǎn)，國際上尚未實(shí)現(xiàn)過。HERD在比α磁譜儀－2實(shí)驗(yàn)重量低很多而只比其他實(shí)驗(yàn)稍重的情況下能夠具有大接收度、高能量分辨、寬探測能區(qū)、高本底排除能力。HERD實(shí)驗(yàn)在能量分辨率指標(biāo)保持世界領(lǐng)先水平的同時(shí)，探測能區(qū)更高，接受度要比在軌和計(jì)劃中的同類載荷高一個(gè)量級(jí)以上。也就是說，其他實(shí)驗(yàn)運(yùn)行10年甚至20年的觀測結(jié)果，HERD只需要1年就可以達(dá)到。HERD的探測能力將遠(yuǎn)超過現(xiàn)有的所有實(shí)驗(yàn)，這一點(diǎn)對(duì)于在激烈的國際競爭中取得領(lǐng)先的地位是至關(guān)重要的。

HERD的國際影響

高能物理研究所于2012年10月和2013年12月分別召開了兩次HERD國際研討會(huì)議，共有100人次的國內(nèi)外專家和學(xué)者出席。其中，國外學(xué)者分別來自意大利國家核物理研究院和意大利天體物理和空間科學(xué)研究院及其下屬的多個(gè)研究所、意大利的多所知名大學(xué)、瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)、美國麻省理工大學(xué)、瑞典皇家工學(xué)院；國內(nèi)學(xué)者分別來自中科院空間科學(xué)和應(yīng)用系統(tǒng)總體部、紫金山天文臺(tái)、西安光學(xué)精密機(jī)械研究所、高能物理研究所和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)。與會(huì)國內(nèi)外學(xué)者對(duì)HERD基于宇宙線探測和暗物質(zhì)探測的基線設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了深入討論并達(dá)成了共識(shí)，對(duì)方案的創(chuàng)新性和強(qiáng)大的載荷能力給予了充分肯定。歐方多家單位希望通過參與硅徑跡探測器的研制，以促成主科學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，并加強(qiáng)伽瑪射線天文的觀測能力。在這兩次會(huì)議的基礎(chǔ)上，已經(jīng)成立了由國內(nèi)外科學(xué)家組成的HERD項(xiàng)目國際協(xié)調(diào)組和六個(gè)專題工作組，工作組成員總數(shù)近百位，其中四個(gè)工作組的組長為歐美學(xué)者。工作組的主要任務(wù)是繼續(xù)凝練優(yōu)化科學(xué)目標(biāo)，完成載荷科學(xué)能力的評(píng)估，完善載荷設(shè)計(jì)方案。這兩次會(huì)議的成功召開極大提升了HERD的國際影響力，為HERD項(xiàng)目的方案優(yōu)化和深入研究打下了很好的基礎(chǔ)。

3 HERD實(shí)驗(yàn)在中國空間站運(yùn)行的意義和預(yù)期成果

為什么中國有了“暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星”還需要HERD？

增加搜尋手段和擴(kuò)大搜尋參數(shù)空間是未來暗物質(zhì)搜尋的重點(diǎn)。目前國際上對(duì)暗物質(zhì)粒子的搜尋和馬航370的搜尋有類似之處，科學(xué)家在原來可能認(rèn)為暗物質(zhì)存在的地方和參數(shù)空間進(jìn)行了大量的搜尋，目前仍然沒有確定的結(jié)果，但暗物質(zhì)存在是肯定的，或早或晚總是會(huì)找到的，所以盡管國內(nèi)外已有多個(gè)搜尋暗物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)在運(yùn)行中，又不斷開始部署通過增加搜尋途徑和擴(kuò)展搜尋的參數(shù)空間的暗物質(zhì)探測。以“國際空間站”為例，α磁譜儀－2實(shí)驗(yàn)于20世紀(jì)90年代初開始立項(xiàng)建造，于2011年5月16號(hào)發(fā)射到“國際空間站”運(yùn)行。但是在α磁譜儀－2發(fā)射之前，日本就通過了“量能器電子望遠(yuǎn)鏡”實(shí)驗(yàn)預(yù)期于2014年在“國際空間站”開展暗物質(zhì)搜尋實(shí)驗(yàn)（目前推遲到2015年實(shí)施），中國也立項(xiàng)了“暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星”（2015年底或者2016年發(fā)射）。而在“量能器電子望遠(yuǎn)鏡”和“暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星”發(fā)射之前、α磁譜儀－2剛剛發(fā)射之后，美國航空航天局（NASA）又通過了也在“國際空間站”運(yùn)行的“國際空間站-宇宙射線質(zhì)能探測器”實(shí)驗(yàn)（原計(jì)劃2014年發(fā)射，目前推遲到2015年），和“量能器電子望遠(yuǎn)鏡”、“暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星”互相補(bǔ)充。而在“量能器電子望遠(yuǎn)鏡”、“宇宙射線質(zhì)能探測器”和“暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星”發(fā)射之前，日本又通過了預(yù)期2017年發(fā)射到“國際空間站”上面運(yùn)行的極端“日本實(shí)驗(yàn)艙-宇宙空間天文臺(tái)”（JEM-EUSO）實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)有日本、美國、歐洲和俄羅斯的280位科學(xué)家組成，實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和上述實(shí)驗(yàn)互相補(bǔ)充，重點(diǎn)在探測高能宇宙輻射的高端能區(qū)。該實(shí)驗(yàn)?zāi)壳坝捎谌毡菊慕?jīng)費(fèi)原因還沒有全面啟動(dòng)，但是近期將由俄羅斯?fàn)款^在“國際空間站”開展技術(shù)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，同時(shí)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)目前正在尋求在歐洲航天局（ESA）支持成為ESA主導(dǎo)的“國際空間站”大型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

上述發(fā)展過程可以看出：①這個(gè)領(lǐng)域的國際競爭空前激烈，各國都在通過不斷地立項(xiàng)新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目調(diào)整搜尋策略和優(yōu)化搜尋的途徑，說明盡管暗物質(zhì)比科學(xué)家以前猜測的更難發(fā)現(xiàn)，但是仍然是國際科學(xué)研究的主要前沿；②國際空間站平臺(tái)已經(jīng)成為空間暗物質(zhì)搜尋的主要競爭平臺(tái)；③上述實(shí)驗(yàn)除了暗物質(zhì)之外都有其他的重大科學(xué)目標(biāo)，如“費(fèi)米”的伽瑪射線研究、α磁譜儀－2反物質(zhì)和宇宙線能譜的測量、“量能器電子望遠(yuǎn)鏡”和“暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星”的宇宙線和伽瑪射線、“國際空間站-宇宙射線質(zhì)能探測器”的宇宙線、“日本實(shí)驗(yàn)艙-宇宙空間天文臺(tái)”的宇宙線和中微子。

“國際空間站”在已有AMS－2實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在不斷部署新的重要實(shí)驗(yàn)繼續(xù)開展宇宙高能輻射的探測研究，將把“國際空間站”打造成為宇宙高能輻射研究的國際實(shí)驗(yàn)室

縱觀國內(nèi)外部署的以暗物質(zhì)為主要科學(xué)目標(biāo)的重大實(shí)驗(yàn)，沒有一個(gè)實(shí)驗(yàn)在設(shè)計(jì)之初保證可以發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子，因此，需要持續(xù)不斷地布局具有新的指標(biāo)、覆蓋更大搜尋范圍的實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出更高性能更靈敏的探測器。HERD就是在這一指導(dǎo)思想下誕生的，其有效接受度將是“暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星”的10倍多，其性能將遠(yuǎn)超現(xiàn)有的所有實(shí)驗(yàn)。HERD運(yùn)行之后將成為世界上高能電子、宇宙射線和伽瑪射線探測最靈敏的探測器，因此其暗物質(zhì)搜尋能力必然是前所未有的，能夠保證中國占領(lǐng)空間暗物質(zhì)搜尋的制高點(diǎn)，充分發(fā)揮我國的后發(fā)優(yōu)勢。

HERD為什么選擇空間站而不是衛(wèi)星？

HERD科學(xué)目標(biāo)對(duì)指向沒有特殊要求，觀測模式為巡天觀測，采樣模式為逐事例采樣而不是圖像采樣，因此中國空間站是適合HERD載荷的空間平臺(tái)。有人操作的空間站能夠更換備份件將為HERD實(shí)現(xiàn)其科學(xué)目標(biāo)提供必要的保障。有效延續(xù)一個(gè)大型的空間科學(xué)探測設(shè)施的運(yùn)行時(shí)間，正好可以發(fā)揮空間站的獨(dú)特優(yōu)勢。

空間站大容量數(shù)傳將確保HERD科學(xué)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的最大化。通過空間站平臺(tái)，可以便利借用天鏈衛(wèi)星完成HERD大容量科學(xué)數(shù)據(jù)的中繼下傳。考慮數(shù)據(jù)壓縮和可能的數(shù)據(jù)合并，總科學(xué)數(shù)據(jù)率估計(jì)在150Mbit/s。因此HERD各種類型科學(xué)數(shù)據(jù)總數(shù)據(jù)量龐大，必須依賴空間站的數(shù)據(jù)下傳能力。

因此，HERD將能夠充分利用空間站開展這種實(shí)驗(yàn)的有利條件以及空間站的大平臺(tái)的豐富資源，開展一般衛(wèi)星平臺(tái)所無法開展的先進(jìn)和復(fù)雜的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)，這也是美國航空航天局選擇在“國際空間站”而不是在衛(wèi)星上開展多個(gè)類似實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵因素。

HERD將成為中國空間站標(biāo)志性的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)

隨著空間α磁譜儀－2和“費(fèi)米”實(shí)驗(yàn)、地面和地下實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不斷發(fā)布，科學(xué)家對(duì)于暗物質(zhì)粒子搜尋的理解不斷深化，同時(shí)新的實(shí)驗(yàn)手段和技術(shù)也開始出現(xiàn)。利用中國科學(xué)家最近發(fā)展出來的新技術(shù)，我們?cè)O(shè)計(jì)的HERD實(shí)驗(yàn)不但在暗物質(zhì)搜尋方面將具有領(lǐng)先的能力，而且將在新的參數(shù)空間開展高精度伽瑪射線巡天和高能宇宙射線各成分能譜的直接測量。

科學(xué)研究的歷史表明，新的參數(shù)空間的探索往往能夠帶來意想不到的重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)。事實(shí)上，天文學(xué)領(lǐng)域的十多個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)中，只有微波背景輻射的各向異性的成果是預(yù)期的，其他的獲獎(jiǎng)成果都不在預(yù)期的科學(xué)目標(biāo)中甚至和預(yù)期結(jié)果恰好相反。這些看似偶然的重大發(fā)現(xiàn)，也具有一定的必然性，也就是儀器的設(shè)計(jì)在某些參數(shù)空間必須有超越以前儀器的能力，確保具有新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)的能力，確保項(xiàng)目有獲得預(yù)料之外的重大發(fā)現(xiàn)的機(jī)會(huì)。這正是科學(xué)研究中偶然和必然的辯證統(tǒng)一。這是因?yàn)槿祟悓?duì)宇宙和自然界的理解是非常有限的，而預(yù)料之外的成果往往是重大的和開創(chuàng)性的。因此HERD的科學(xué)目標(biāo)的可實(shí)現(xiàn)性并不是說一定能夠發(fā)現(xiàn)或者探測到暗物質(zhì)粒子，而在于為了具有探測暗物質(zhì)粒子的最高靈敏度，HERD所具有的超越以前和其它儀器的能力將能夠確保HERD做出重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

與“國際空間站”已經(jīng)成為參加其參與國開展宇宙高能輻射探測的標(biāo)志性國際實(shí)驗(yàn)室一樣，HERD實(shí)驗(yàn)將使我國的空間站成為國際上最先進(jìn)的宇宙高能輻射探測的國家實(shí)驗(yàn)室，因此在中國空間站開展HERD實(shí)驗(yàn)無論是科學(xué)、技術(shù)還是政治上都是有必要的。為中國的空間站提出HERD這樣水平的實(shí)驗(yàn)是中國科學(xué)家的責(zé)任。我們將努力和中國優(yōu)秀的工程師和具有高度責(zé)任感的管理者一起實(shí)現(xiàn)HERD實(shí)驗(yàn)，把HERD實(shí)驗(yàn)建設(shè)成為中國空間站標(biāo)志性的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

4 結(jié)語

近年來關(guān)于暗物質(zhì)、暗能量的探索研究成科學(xué)界關(guān)注的前沿?zé)狳c(diǎn)，其原因正如科學(xué)家形象比喻的“暗物質(zhì)、暗能量是籠罩在現(xiàn)代物理學(xué)上的兩朵烏云”。回顧科學(xué)發(fā)展的歷史，19世紀(jì)末至20世紀(jì)初，由于X射線、放射性和電子的發(fā)現(xiàn)，開展了原子結(jié)構(gòu)的研究，在探索微觀世界以及電磁波傳播、黑體輻射等研究中，牛頓力學(xué)和經(jīng)典電磁理論遇到巨大困難，推動(dòng)了理論物理創(chuàng)新。愛因斯坦于1905年提出了相對(duì)性原理和光速不變?cè)恚瑒?chuàng)立了狹義相對(duì)論，1915年又建立了以彎曲時(shí)空描述引力為核心的廣義相對(duì)論，突破了牛頓絕對(duì)時(shí)空和運(yùn)動(dòng)框架；1900年普朗克提出能量子假說和黑體輻射公式，在愛因斯坦、玻爾的推動(dòng)和許多科學(xué)家努力下，形成了量子力學(xué)的完整體系，成為人類科學(xué)認(rèn)識(shí)史上最深刻的一次革命，天文學(xué)的觀測研究對(duì)于這次科學(xué)革命起到了奠基性的作用。事實(shí)上，這次科學(xué)革命奠定了當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的幾乎全部基礎(chǔ)，推動(dòng)了新的產(chǎn)業(yè)革命，深刻地改變了人類社會(huì)的面貌。

當(dāng)前科學(xué)研究的發(fā)展又有跡象表明到了可能新的突破點(diǎn)。天文學(xué)研究提出的“暗物質(zhì)和暗能量”之謎又一次使得物理學(xué)在基本問題上出現(xiàn)了明顯的巨大困難和挑戰(zhàn)，圍繞暗物質(zhì)和暗能量等重大科學(xué)問題的天文學(xué)研究又一次站在了自然科學(xué)發(fā)展的最高點(diǎn)和最前沿。

在過去的幾個(gè)世紀(jì)中，我國由于種種原因已經(jīng)屢次失去了在科技革命中有所作為的機(jī)遇。從1609年伽利略發(fā)明天文望遠(yuǎn)鏡至今，天文學(xué)研究帶來了人類認(rèn)識(shí)自然和宇宙的世界觀的七次飛躍，對(duì)現(xiàn)代自然科學(xué)體系的建立起了根本性的作用，并且獲得了多個(gè)諾貝爾物理學(xué)和化學(xué)獎(jiǎng)，但是中國對(duì)這些都幾乎毫無貢獻(xiàn)。這實(shí)際上和近代我國多次受外國欺辱甚至被亡國有密切的聯(lián)系。今天和未來我們不可再錯(cuò)失參加甚至引領(lǐng)新的科學(xué)革命的機(jī)會(huì)。在我們可能有所創(chuàng)新和突破的領(lǐng)域，比如暗物質(zhì)搜尋和空間高能宇宙輻射的探測，我們應(yīng)當(dāng)更加重視，抓住機(jī)遇，重點(diǎn)突破。