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Search for Light-Mass Fractionally Charged Particles in Space with DAMPE Experiment

本文利用 DAMPE 卫星十年在轨数据，在初级高能宇宙射线中搜索了质量为 0.511 MeV/ $c^2$ 、电荷为 $\frac{2}{3}e$ 的轻质量分数电荷粒子，未发现候选事例，并给出了相应的 90% 置信度通量上限。

原作者： F. Alemanno, Q. An, P. Azzarello, F. C. T. Barbato, P. Bernardini, X. J. Bi, H. V. Boutin, I. Cagnoli, M. S. Cai, E. Casilli, J. Chang, D. Y. Chen, J. L. Chen, Z. F. Chen, Z. X. Chen, P. Coppin, M. Y.

发布于 2026-02-25

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CC BY 4.0

原作者： F. Alemanno, Q. An, P. Azzarello, F. C. T. Barbato, P. Bernardini, X. J. Bi, H. V. Boutin, I. Cagnoli, M. S. Cai, E. Casilli, J. Chang, D. Y. Chen, J. L. Chen, Z. F. Chen, Z. X. Chen, P. Coppin, M. Y. Cui, T. S. Cui, I. De Mitri, F. de Palma, A. Di Giovanni, T. K. Dong, Z. X. Dong, G. Donvito, J. L. Duan, K. K. Duan, R. R. Fan, Y. Z. Fan, F. Fang, K. Fang, C. Q. Feng, L. Feng, S. Fogliacco, J. M. Frieden, P. Fusco, M. Gao, F. Gargano, E. Ghose, K. Gong, Y. Z. Gong, D. Y. Guo, J. H. Guo, S. X. Han, Y. M. Hu, G. S. Huang, X. Y. Huang, Y. Y. Huang, M. Ionica, L. Y. Jiang, W. Jiang, Y. Z. Jiang, J. Kong, A. Kotenko, D. Kyratzis, S. J. Lei, B. Li, M. B. Li, W. L. Li, W. H. Li, X. Li, X. Q. Li, Y. M. Liang, C. M. Liu, H. Liu, J. Liu, S. B. Liu, Y. Liu, F. Loparco, M. Ma, P. X. Ma, T. Ma, X. Y. Ma, G. Marsella, M. N. Mazziotta, D. Mo, Y. Nie, X. Y. Niu, A. Parenti, W. X. Peng, X. Y. Peng, C. Perrina, E. Putti Garcia, R. Qiao, J. N. Rao, Y. Rong, A. Serpolla, R. Sarkar, P. Savina, Z. Shangguan, W. H. Shen, Z. Q. Shen, Z. T. Shen, L. Silveri, J. X. Song, H. Su, M. Su, H. R. Sun, Z. Y. Sun, A. Surdo, X. J. Teng, A. Tykhonov, G. F. Wang, J. Z. Wang, L. G. Wang, S. Wang, X. L. Wang, Y. F. Wang, D. M. Wei, J. J. Wei, Y. F. Wei, D. Wu, J. Wu, S. S. Wu, X. Wu, Z. Q. Xia, Z. Xiong, E. H. Xu, H. T. Xu, J. Xu, Z. H. Xu, Z. Z. Xu, Z. L. Xu, G. F. Xue, M. Y. Yan, H. B. Yang, P. Yang, Y. Q. Yang, H. J. Yao, Y. H. Yu, Q. Yuan, C. Yue, J. J. Zang, S. X. Zhang, W. Z. Zhang, Y. Zhang, Y. P. Zhang, Y. Zhang, Y. J. Zhang, Y. Q. Zhang, Y. L. Zhang, Z. Zhang, Z. Y. Zhang, C. Zhao, H. Y. Zhao, X. F. Zhao, C. Y. Zhou, X. Zhu, Y. Zhu

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

这篇论文讲述了一个关于宇宙寻宝的故事，只不过这次寻找的不是金银财宝，而是一种理论上存在、但从未被真正发现的“幽灵粒子”。

我们可以把这篇论文的内容拆解成以下几个生动的部分：

1. 寻找什么？（什么是“分数电荷粒子”？）

想象一下，我们生活中的所有物质（比如桌子、空气、甚至你自己）都是由原子组成的，而原子又由更小的“积木”组成。

常规积木（电子）： 我们熟悉的电子，带有一个单位的负电荷（就像带了一个完整的“负号”）。
理论积木（夸克）： 在原子核内部，有一种叫“夸克”的粒子，它们带的电荷很奇怪，是普通电子的 1/3 或 2/3。但是，大自然有个“铁律”叫“色禁闭”，就像强力胶水一样，把夸克死死粘在一起，不让它们单独跑出来。所以，我们在自然界里通常只能看到整数电荷的粒子。

这篇论文要找的“分数电荷粒子”（FCPs），就是那些可能挣脱了“胶水”，带着 2/3 电荷（或者更小）在宇宙中自由奔跑的“独行侠”。 特别是那些质量很轻（比电子还轻或差不多重）的“小个子”独行侠。

2. 为什么以前很难找到？（为什么要在太空找？）

这就好比你在森林里找一只特定的小鸟。

地面/地下实验的困境： 以前科学家在地面或地下找这些粒子，就像在茂密的森林深处找鸟。但是，那些“轻飘飘”的分数电荷粒子（轻质量粒子），一旦穿过大气层，就像纸飞机遇到狂风暴雨，还没落地就被“吹散”或“吸收”了（物理上叫“轫致辐射”效应）。它们太容易和空气分子发生反应，导致能量耗尽，根本到不了地面。
太空的优势： 既然它们在半路就“死”了，那我们就去源头找！这就是为什么要把探测器送上天。

3. 谁在找？（DAMPE 探测器“悟空”）

这次行动的“侦探”是中国的暗物质粒子探测卫星“悟空”号（DAMPE）。

它的装备： “悟空”号就像是一个在太空中漂浮的超级多层滤网。
- 塑料闪烁体（PSD）和硅微条（STK）： 像是两把高精度的“电荷尺子”，用来测量路过粒子的电荷是多少。
- BGO 量能器： 像是一个巨大的“能量捕手”，用来记录粒子撞进来时释放了多少能量。
它的战绩： 这颗卫星已经在太空中工作了10 年，记录了大约200 亿个高能宇宙射线事件。这相当于在太空中撒了一张巨大的网，捞了整整 10 年。

4. 怎么找？（大海捞针的筛选过程）

科学家从 2016 年到 2025 年的海量数据中，进行了一场严酷的“大扫除”：

排除干扰： 先把那些从侧面撞进来的、或者被太阳风暴（像超级太阳耀斑）干扰的数据扔掉。
筛选“嫌疑人”： 只留下那些能量很高、轨迹很直、看起来像电子的粒子。
精准称重： 用“电荷尺子”去量这些粒子的电荷。
- 正常的电子，电荷是 1（满分）。
- 我们要找的“分数电荷粒子”，电荷应该是 0.67（即 2/3）。
- 这就好比在人群中找身高 1.6 米的人，而正常人是 1.7 米。尺子必须非常精准，才能把 1.6 米的人从 1.7 米的人群中挑出来。

5. 结果如何？（虽然没有找到，但很有意义）

结局： 经过对 10 年数据的仔细审查，没有发现任何“分数电荷粒子”的踪迹。 所有的“嫌疑人”最后都被证实是普通的电子或质子。
收获： 虽然没抓到“贼”，但我们知道了“贼”藏在哪里（或者说，不在哪里）。
- 科学家设定了一个上限：如果这种粒子存在，它们在宇宙中的数量一定非常非常少（每平方厘米、每秒钟、每立体角内少于 $5.0 \times 10^{-11}$ 个）。
- 这就像是在说：“我们检查了整个森林，虽然没看到那只特定的小鸟，但我们现在可以肯定，如果它存在，它的数量绝对比森林里的沙子还要少得多。”

6. 为什么这很重要？

填补空白： 以前大家主要找“重”的分数电荷粒子，这次是第一次专门在太空中系统地寻找轻质量的分数电荷粒子。
理论验证： 如果找到了，那就意味着我们要推翻或修改现有的物理教科书（标准模型），甚至可能为“暗物质”提供新的解释。
虽然没找到，但排除了一个可能性： 科学进步往往是通过“排除法”实现的。这次实验告诉理论物理学家：“别在那条路（轻质量、2/3 电荷）上浪费太多精力了，那里大概率没有宝藏。”

总结一句话：
中国的“悟空”号卫星在太空中守了 10 年，拿着超级精密的尺子，仔细检查了 200 亿个宇宙粒子，虽然没抓到那个带着"2/3 电荷”的神秘小精灵，但它成功地向全世界证明：这种小精灵如果存在，也一定极其罕见，这为人类探索宇宙的基本规律又扫清了一块迷雾。

以下是基于 DAMPE 合作组论文《Search for Light-Mass Fractionally Charged Particles in Space with DAMPE Experiment》的详细技术总结：

1. 研究背景与问题 (Problem)

分数电荷粒子 (FCPs) 的理论预测：虽然标准模型 (SM) 中的自由基本粒子电荷均为整数（0 或 $\pm 1e$ ），但许多超越标准模型的理论（如大统一理论、超对称理论等）预测了存在自由分数电荷粒子（FCPs），其电荷可能为夸克电荷（ $\pm 1/3e, \pm 2/3e$ ）或更小的“毫电荷”。
现有研究的局限性：过去的实验主要关注重质量（质量 $> \text{MeV}/c^2$ ）的类轻子 FCPs。这类粒子在传播过程中主要通过电离损失能量，穿透力强，因此地下、地面及气球实验对其进行了广泛搜索。
轻质量 FCPs (LFCPs) 的探测难点：对于亚 MeV 质量范围（ $< 1 \text{ MeV}/c^2$ ）的 LFCPs，由于质量极轻，它们在穿过物质时韧致辐射 (Bremsstrahlung) 效应占主导地位，会引发级联过程（如电子 - 正电子对产生）。这导致 LFCPs 在传播过程中极易被大气层或地壳材料吸收，难以被地面或地下设施探测到。
研究缺口：目前缺乏针对亚 MeV 质量范围 LFCPs 的专门研究，尤其是利用空间实验数据进行的搜索。

2. 方法论 (Methodology)

实验装置：利用中国暗物质粒子探测卫星（DAMPE，又称“悟空号”）。DAMPE 是一个轨道上的量热型探测器，包含四个子探测器：
- PSD (塑料闪烁体探测器)：用于测量电荷。
- STK (硅 - 钨径迹转换器)：用于重建粒子轨迹和测量电荷。
- BGO (锗酸铋量热器)：用于测量能量和区分电磁/强子簇射。
- NUD (中子探测器)：用于进一步区分电子/质子。
数据来源：
- 时间跨度：2016 年 1 月 1 日至 2025 年 12 月 31 日（共 10 年有效数据）。
- 数据筛选：排除了南大西洋异常区 (SAA)、仪器死时间、在轨校准期以及 2017 年 9 月的一次特大太阳耀斑期间数据。有效曝光时间约为 $2.4 \times 10^8$ 秒。
模拟与模型构建：
- 基于 Geant4 工具包构建 LFCP 模型，考虑电离、韧致辐射和多次散射过程。
- 设定电荷为 $2/3 e$ （因为更小的电荷会导致 $dE/dx$ 过低，信噪比差且径迹重建效率低）。
- 设定质量范围： $0.2 \text{ MeV}/c^2$ 至 $1 \text{ MeV}/c^2$ ，主要分析质量为 $0.511 \text{ MeV}/c^2$ 的样本。
- 背景模拟：使用服从幂律能谱的电子和质子蒙特卡洛 (MC) 样本评估背景。
数据分析流程：
1. 预选择 (Preselection)：基于 BGO 能量重心重建径迹，要求事件贯穿整个探测器，排除侧向入射事件；利用 BGO 三维拓扑结构排除强子；设定沉积能量 $> 10 \text{ GeV}$ 以避开地磁截止效应。
2. 触发选择 (Trigger Selection)：要求满足高能触发 (HET) 模式，利用韧致辐射效应导致的大能量沉积特征。
3. 径迹选择 (Track Selection)：利用 Kalman 滤波算法在 STK 中重建高质量径迹，要求与 BGO 径迹偏差小于 15mm，并限制 $\chi^2$ 分布。
4. 电荷选择 (Charge Selection)：
  - 独立使用 PSD 和 STK 重建电荷。
  - PSD：要求径迹贯穿两层，修正路径长度、光衰减和淬灭效应，并约束两端信号一致性。
  - STK：使用前四层硅探测器，严格限制有效信号数量和沉积能量，以减少次级粒子干扰。
5. 信号区域定义：
  - 使用 Landau-Gaussian 卷积函数拟合电荷谱。
  - 定义信号区域为最概然值 (MPV) 加上 $2.5\sigma$ 。
  - 边界值设定：PSD 为 $0.73e$ ，STK 为 $0.78e$ 。
  - 该区域对 $0.511 \text{ MeV}/c^2$ 的 LFCP 信号保留效率约为 67.4%，同时能有效抑制电子背景。

3. 关键贡献 (Key Contributions)

首次空间搜索：这是首次利用初级宇宙射线数据在空间环境中专门搜索亚 MeV 质量范围的轻质量分数电荷粒子 (LFCPs)。
填补探测空白：针对地面和地下实验难以探测的、因韧致辐射效应而被吸收的轻质量 FCPs，利用 DAMPE 的轨道优势提供了独特的探测窗口。
高精度电荷分辨：展示了 DAMPE 探测器（PSD 和 STK）在区分 $2/3e$ 电荷与单位电荷粒子（ $1e$ ）方面的高精度能力，电荷分辨率分别达到 $0.06e$ 和 $0.04e$ 。
系统性误差控制：详细评估了触发、径迹重建和电荷选择带来的系统误差（总系统误差约 2.37%），并采用了保守的统计方法（Feldman-Cousins 方法）处理零观测事件。

4. 研究结果 (Results)

观测情况：在定义的信号区域内，未观测到任何 LFCP 候选事件 ( $N_{obs} \approx 0$ )。观测数据与单电荷电子背景（MC 电子和实际数据）高度吻合，LFCP 信号区域被电子背景完全主导。
通量上限：
- 对于质量为 $0.511 \text{ MeV}/c^2$ 、电荷为 $2/3e$ 的 LFCPs，在 90% 置信水平下，其通量上限确定为：
  $\Phi_{upper} = 5.0 \times 10^{-11} \text{ cm}^{-2}\text{sr}^{-1}\text{s}^{-1}$
- 该上限考虑了系统误差和探测效率（总效率约 38.9%）。
质量依赖性：在 $0.2 \text{ MeV}/c^2$ 到 $1 \text{ MeV}/c^2$ 的质量范围内，通量上限均保持在 $10^{-11} \text{ cm}^{-2}\text{sr}^{-1}\text{s}^{-1}$ 量级。

5. 意义 (Significance)

理论约束：该结果为超越标准模型的理论（如大统一、超对称等）中关于轻质量分数电荷粒子的存在性提供了严格的实验约束，排除了部分参数空间。
暗物质候选者：由于 LFCPs 可能是暗物质的候选者之一，该结果缩小了暗物质粒子性质的搜索范围。
实验范式：证明了空间量能器在探测轻质量、高韧致辐射截面粒子方面的独特优势，为未来类似粒子的探测提供了重要的方法论参考。
国际合作补充：补充了国际上针对 FCPs 搜索的实验约束范围，特别是填补了亚 MeV 质量区间的空白。

总结：DAMPE 合作组利用 10 年的在轨数据，通过高精度的电荷测量和严格的背景抑制，首次对亚 MeV 质量的分数电荷粒子进行了系统性搜索。虽然未发现新粒子，但给出了目前最严格的通量上限，显著推进了对轻质量分数电荷粒子的认知。