中國空間站的高能宇宙輻射探測(cè)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(cè)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(cè)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?，F(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(cè)到并且測(cè)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(cè)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(cè)和搜尋手段。最近幾年的地下、地面和空間暗物質(zhì)探測(cè)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(cè)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(cè)成為國際科學(xué)前沿競(jìng)爭(zhēng)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(cè)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(cè)高能宇宙輻射探測(cè)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(shì)，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(cè)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(cè)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(cè)證據(jù)

在過去幾十年對(duì)宇宙成分精細(xì)觀測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)的星系最外圍。觀測(cè)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(cè)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?！板X德拉”X射線空間望遠(yuǎn)鏡對(duì)子彈星系團(tuán)的觀測(cè)，是近些年來天文研究對(duì)暗物質(zhì)觀測(cè)最重要的結(jié)果。

對(duì)宇宙微波背景輻射（CMB）的空間觀測(cè)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?！巴柦鹕⒉ǜ飨虍愋蕴綔y(cè)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(cè)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(cè)和搜尋方法

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

直接測(cè)量暗物質(zhì)粒子與探測(cè)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(cè)。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(cè)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(cè)器中丟失的能量和分布來探測(cè)暗物質(zhì)和推測(cè)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(cè)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(cè)。暗物質(zhì)的間接探測(cè)主要基于空間實(shí)驗(yàn)?？臻g實(shí)驗(yàn)間接探測(cè)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(cè)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(cè)結(jié)果

（2）地下直接探測(cè)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(zhǎng)期以來尋找的暗物質(zhì)信號(hào)。但該實(shí)驗(yàn)的觀測(cè)結(jié)果并沒有被其他直接探測(cè)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(cè)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(cè)實(shí)驗(yàn)?！案吣芊次镔|(zhì)望遠(yuǎn)鏡”（HEAT）氣球?qū)嶒?yàn)在1994-2000年之間測(cè)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(cè)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(cè)量結(jié)果，在10GeV處并沒有觀測(cè)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(cè)量。

在電子的觀測(cè)方面，2008年以中美科學(xué)家為主的“南極長(zhǎng)周期氣球探測(cè)器”（ATIC）發(fā)表了宇宙線高能電子觀測(cè)結(jié)果。該探測(cè)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(cè)能譜，并沒有看到“南極長(zhǎng)周期氣球探測(cè)器”和“費(fèi)米”觀測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)設(shè)施

探測(cè)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(cè)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(cè)的一個(gè)黃金時(shí)代。

在直接探測(cè)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(cè)的靈敏度在不斷提高；在對(duì)撞機(jī)探測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)的競(jìng)爭(zhēng)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(shì)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(cè)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(cè)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(cè)衛(wèi)星”，在空間探測(cè)暗物質(zhì)粒子方面將具有很好的潛力和國際競(jìng)爭(zhēng)力。

晶體單元的光纖耦合

為了搶占空間暗物質(zhì)探測(cè)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(cè)和宇宙射線的直接測(cè)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(cè)能區(qū)等突出的優(yōu)勢(shì)，成倍和成量級(jí)地?cái)U(kuò)大了探測(cè)能力，將成為屆時(shí)在國際上最具優(yōu)勢(shì)的暗物質(zhì)空間探測(cè)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(cè)器組成。頂部徑跡探測(cè)器由7層硅微條探測(cè)器和鎢板構(gòu)成，每層硅微條探測(cè)器都按照x-y方向垂直放置。頂部硅探測(cè)器可以實(shí)現(xiàn)徑跡測(cè)量、電荷測(cè)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(cè)器。量能器為邊長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(cè)的上限和精度依賴于探測(cè)器的縱向深度?？v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(cè)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(cè)器包括頂面徑跡探測(cè)器和4個(gè)側(cè)面徑跡探測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(shì)和國際影響

接受度更高?？臻g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(cè)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(cè)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(cè)的有效接收度，在同等的時(shí)間內(nèi)取得的觀測(cè)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(cè)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(cè)精度更高。對(duì)入射粒子的能量探測(cè)的上限和精度，依賴于探測(cè)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(zhǎng)度的全吸收式量能器，將會(huì)是空間中最厚的一個(gè)探測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)結(jié)果，HERD只需要1年就可以達(dá)到。HERD的探測(cè)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(jìng)爭(zhēng)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(cè)和暗物質(zhì)探測(cè)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(cè)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(cè)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(zhǎng)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(cè)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(cè)。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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)器”和“暗物質(zhì)粒子探測(cè)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(cè)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(jìng)爭(zhēng)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(cè)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(jìng)爭(zhēng)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(cè)量、“量能器電子望遠(yuǎn)鏡”和“暗物質(zhì)粒子探測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)最靈敏的探測(cè)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(shì)。

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(cè)模式為巡天觀測(cè)，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(cè)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(shì)。

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?？紤]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(cè)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(cè)到暗物質(zhì)粒子，而在于為了具有探測(cè)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(cè)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(cè)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”?；仡櫩茖W(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)?，?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(cè)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(cè)，我們應(yīng)當(dāng)更加重視，抓住機(jī)遇，重點(diǎn)突破。