导读：宇宙线中的正电子被认为是研究暗物质的灵敏探针之一，在空间中开展高能正电子能谱测量是当今物理学、天文学的热点方向。《中国物理C》2025年第11期封面介绍了“悟空”号卫星利用地磁场测量的正电子能谱，该结果达到了与磁谱仪实验相当的精度。同时，该方法对于下一代的空间高能宇宙线实验开展这方面工作有着很好的借鉴意义。

当奥地利物理学家维克托●赫斯第一次乘坐热气球去高空测量大气中的辐射时，他或许不会想到自己开启了一个多么伟大的时代。1912 年，赫斯乘坐气球升至约 5000 米高空，竟然发现空气中的辐射强度随着高度增加而显著增强，意外发现了宇宙线的存在，为核物理与粒子物理研究开启了一扇新的大门。凭借这一重要贡献，赫斯获得了 1936 年的诺贝尔物理学奖。如今，宇宙线研究已成为天体物理学、粒子物理学和宇宙学等学科交叉的重要领域。通过观测宇宙线，人们不仅可以研究基本粒子，还可以探索宇宙的起源和演化等。

近年来，我们对宇宙的认识有了飞跃式的发展。科学家们通过各种天文观测推测出如今的宇宙约由 68.3% 的暗能量、26.8% 的暗物质和 4.9% 的可见物质组成。我们熟悉的可见物质仅占整个宇宙质量不足5%，对另外约 95%份额的认知还十分有限。暗物质和暗能量也被认为是笼罩在21世纪物理学上空的两朵新的乌云。其中，暗物质假说被认为在宇宙不均匀结构的形成、星系产生和演化以及宇宙微波背景辐射的各向异性的解释中扮演着重要角色。研究暗物质，对这些天文观测结果的理解有着巨大的推动作用，可以使人们对宇宙的认识迈入一个崭新的台阶。同时，这些研究在基础物理学中也有着重要的意义，有望成为探索超出标准模型新物理的重要突破口。

在宇宙空间中开展宇宙线直接探测，是间接寻找暗物质粒子的重要手段。其原理是空间中暗物质粒子有可能会通过湮灭或衰变产生标准模型下的末态粒子（比如正、负电子（ 、 ）、正反质子和伽马射线等），通过在太空中测量这些高能宇宙线能谱，可以间接寻找暗物质存在的证据。其中宇宙线中正电子被认为是研究暗物质的灵敏探针之一，通过对正电子能谱和正负电子比例的测量来寻找暗物质粒子，是当今物理学、天文学的前沿、热点课题。

在宇宙线中测量正电子能谱，国际上已有多个实验开展了相关研究。比如 TS93、WiZard/CAPRICE、 HEAT、AESOP 等高空气球实验，以及后来的 PAMELA、AMS02 实验。这些实验装置无一例外的都是磁谱仪，通过磁场对粒子电荷极性进行区分。其中，AMS02 是由著名华裔科学家丁肇中先生领导的大型宇宙线直接观测项目，也是目前唯一运行在国际空间站的高精度磁谱仪装置。该装置具有一个 1400 高斯的永磁体，入射粒子在该磁场中的偏转径迹会被精度约为 10 微米的硅微条探测器记录，从而精确测量出入射粒子的电荷极性和动量大小。图1（a）所示为 AMS02 探测谱仪示意图。
除了采用磁谱仪进行正电子的测量外，FERMI-LAT 合作组曾提出借助地磁场开展相关研究。FERMI-LAT 是美国宇航局 2008 年发射的运行在约 500 km 近地轨道上的大面积伽马射线望远镜，也称为FERMI卫星。FERMI-LAT 探测装置未携带磁铁，主要由径迹探测器、量能器和反符合探测器组成。借助地磁场效应，FERMI-LAT首次在轨实现了对正电子的观测。图 2 所示为不同实验测量的正电子比例结果，图中绿色三角形为 FERMI 卫星的结果，展示了 20 GeV – 200 GeV 能区正电子比例，该结果清晰地显示出该能区正电子比例随着能量的上升而增加，但相较于磁谱仪实验（红点为 AMS02、蓝点为PAMELA 实验）整体偏高了约 20%。


“悟空”号卫星（DAMPE）是我国十二五空间科学战略性先导科技专项首发星，其核心科学任务是利用宽能段、高能量分辨的探测装置，通过在轨对高能宇宙线进行直接探测，从而间接寻找暗物质粒子，以期为暗物质本质及高能天体物理提供关键实验数据。DAMPE 于 2015 年年底成功发射，运行于太阳同步轨道，轨道高度约 500 km，目前已在轨稳定运行近十年，回传了接近 200 亿个高质量宇宙线数据，为开展稀有的正电子研究提供了基础。

空间宇宙线探测，从技术层面上需要回答三个问题：宇宙线种类是什么？宇宙线从哪儿来？以及其携带的能量有多大？为了回答这三个问题，DAMPE 探测器系统主要包含四个探测部分，结构示意图如图3所示，从上到下分别为：塑闪阵列探测器（PSD）、硅径迹探测器（STK）、BGO量能器（BGO）和中子探测器（NUD）。
其中 PSD 由塑料闪烁体条阵列组成，用于测量入射带电粒子的电荷大小；STK 由具备高精度位置分辨能力的硅微条探测器组成，负责粒子的径迹测量；BGO 量能器采用了当时国际上最大尺寸BGO 晶体棒，是具备三维成像能力的全吸收型量能器，主要承担着入射粒子的能量测量，以及电子/质子的鉴别；NUD则为了进一步增加电子/质子区分能力，采用掺硼的塑料闪烁体组成。

 
为了从 DAMPE 海量的科学数据中精确筛选出正电子事件，需要重点解决两个问题：一是利用地磁场区分出带正、负电荷的粒子；第二是基于 DAMPE探测系统实现正电子、质子事件的鉴别。考虑到地磁场强度不高（~0.5高斯），其对带电粒子的截止刚度有限（对应电子能量~10 GeV能段，与纬度和粒子方向有关），因此，本工作选取了能量区间在 10 GeV ~ 20 GeV 的正、负电子进行了研究。
空间中带电粒子会在地磁场中发生偏转，由于地磁场较弱，无法利用探测系统中的径迹探测器测量带电粒子的偏转方向和半径，进行电荷极性以及动量大小的测量。DAMPE 卫星轨道高度约 500 km，地球位于卫星的正下方，会对卫星有约68 度的遮挡（约 4 个球面度），如图 4 阴影区所示，该视角为从卫星往地球看，角度指向定义为从地球指向卫星。对于中性粒子，地球遮挡区域近似为一个圆形（图4（a））。但对于带电粒子，由于受到地磁场偏转，也可以认为是地球阴影的位置和形状发生了变化。对于正电子，由于带一个单位正电荷，其地球阴影区就会偏向东边，如图 4（b）所示，这样可以认为不会有正电子从该区域经过击中探测器。在该阴影区与探测器有效张角重合的区域，如有“电子类型”的事件入射，则一定不是正电子（被阴影区遮挡住）。同样，对于负电子，由于电荷极性为负，其偏转方向与正电子相反，造成了地球阴影偏向西边（如图 4（c）所示），则该区域的“电子类型”的事件一定不是负电子。通过这种方法，就可以把正、负电子区分开（其它类型的带电粒子类似）。
02 区分正电子、质子

近地空间中的宇宙线成分约 90% 都是质子，电子的含量很低，正电子份额占比就更少了。由于都是带一个单位的电荷，所以质子往往是正电子的主要本底来源。前文中虽然利用地球阴影的办法实现了对正、负粒子的区分，但由于正电子和质子都带正电荷，所以在图 4（c）阴影区的事件中除了正电子外，还会有大量的质子，为了筛选出正电子事件，还需要利用探测器装置进行粒子鉴别。

DAMPE 卫星中的 BGO 量能器像一个高像素照相机，有着优异的成像能力，可以对高能宇宙线在量能器中的作用行为进行成像。正电子属于轻子，与物质发生电磁作用；质子是强子，主要发生强作用。这使得正电子和质子在 BGO 量能器中的簇射行为不同，利用粒子在 BGO 量能器中的成像信息可以重建出描述正电子和质子事件簇射的参数（图5中的 ln(RMSr)）。图5展示了鉴别出的正电子和质子事件，左边峰代表了正电子事件，右边是质子本底。

以上两个关键问题解决后，结合一些其它观测量（比如探测器的接收度、观测时间以及能量信息等），就可以得到不同能区的正电子通量大小，如图 6（a）所示，图 6（b）展示的是正电子占总电子（负电子+正电子）的通量比例，其中红色点为 DAMPE 的数据，结果显示利用这种方法得到的正电子谱在10–20 GeV 能段与磁谱仪实验的精度相当。该结果，不仅验证了基于地磁场区分粒子正、负电荷方法的可靠性，也与DAMPE 卫星优异的粒子鉴别能力是分不开的。
宇宙线中正电子的测量，对暗物质粒子探测、宇宙线起源与传播机制等研究具有重要意义。多年来，国际上已开展了长期实验探索，其中磁谱仪类实验包括 TS93、WiZard/CAPRICE、HEAT、AESOP 等气球搭载实验，以及 PAMELA、AMS02 等基于卫星/空间站平台的实验；非磁谱仪类实验则有 FERMI-LAT、DAMPE 等。从这些实验结果中，科学家们已经看到了暗物质存在的一些迹象，但依然没有确切定论，人们迫切需要有更加强大的实验设备，对高能正电子宇宙线进行研究。目前国际上已有多个下一代高能宇宙线直接观测实验计划。比如正在酝酿中的AMS-100 磁谱仪，预期比现有磁谱仪实验观测能区高2个数量级，接收度高大 1000 倍以上。另外，我国高能宇宙辐射探测设施（HERD），计划于 2028-2029 年安装在中国空间站上，该装置与 DAMPE 类似，没有磁场，但其创新性地采用了“各向同性”的设计方案，同样可以在更宽能区对“东-西”两个“阴影区”的事件进行有效观测，预期对正电子的观测可以拓展至百 GeV 能区。



作者介绍： 
张云龙，中国科学技术大学教授、博导，从事高能宇宙线物理研究，及新型粒子探测技术研发工作。现为中国空间暗物质探测卫星(“悟空”号)执行委员会成员、超级陶粲装置电磁量能器系统负责人。
聂宇，中国科学技术大学2025级博士研究生，研究方向为宇宙线正负电子及超重元素探测。
魏逸丰，中国科学技术大学副教授，从事高能宇宙线实验研究。现为中国空间暗物质探测卫星(“悟空”号)宇宙线组召集人之一。
黄光顺，中国科学技术大学教授、博导，从事粒子对撞物理和宇宙线研究。现为北京谱仪BESIII实验联合发言人、中国空间暗物质探测卫星(“悟空”)科学应用系统副总师。