博士生刘成明发表空间实验中最严格的分数电荷粒子通量上限

暗物质卫星“悟空”号得到空间实验中最严格的 2/3e 分数电荷粒子通量上限，比以往同类实验更优三个数量级，相关成果已发表。

1909年密立根通过油滴实验首次测量了电子携带的电荷量（e）。自那以后，人们探测到的粒子都携带整数倍的电子电荷，因此，e也被认为是自然界中最小的电荷。1964 年 Gell-Mann 和 Zweig 提出夸克模型，其中夸克作为基本粒子携带分数电荷（1/3e 或 2/3e）。量子色动力学理论表明，由于色禁闭，并不存在自由夸克。然而，迄今提出的一些新理论拓展了粒子物理标准模型，认为携带分数电荷的自由粒子（Fractional charged particle，FCP）仍可能存在。这些理论中，分数电荷粒子被假定为一种重轻子，参与电磁相互作用和弱相互作用，具有很强的穿透能力。几十年来，许多实验一直在寻找分数电荷粒子，一旦有所发现，将是对标准模型理论的延伸或超越。

宇宙线被认为是一个可能的分数电荷粒子来源。以往的相关研究大多基于地下实验的观测（比如 MACRO、Kamiokande 等），它们要求宇宙线中的分数电荷粒子携带很高的动能（大于数百 GeV）来穿透地表的岩石层达到地下。近年来，随着运载技术和实验技术的进步，使近地轨道上运行的空间实验成为可能。这类实验对分数电荷粒子的能量探测下限可低至几个 GeV，具备独特的优势。

暗物质粒子探测卫星“悟空”号（DAMPE）是我国的第一颗空间天文观测卫星，是目前在轨运行的最灵敏的电荷测量实验之一。它搭载的两个子探测器：塑料闪烁体探测器（PSD）和硅径迹探测器（STK），对单电荷的分辨能力可达到 0.06e 和 0.04e，能有效地鉴别 2/3e 分数电荷粒子和单电荷粒子。近来，DAMPE 合作组发表了最新的分数电荷粒子寻找结果。经过分析 2016-2020 年采集的超过 90 亿个宇宙线粒子数据，并未发现 2/3e 分数电荷粒子的信号，因此给出空间实验中迄今为止最严格的通量上限： （90%置信度），比以往同类实验最优的结果更严格三个数量级，将对分数电荷粒子的理论模型进行更强的限制。博士生刘成明是这一工作的主要完成人，该成果已于9月29日发表在《物理评论D》 Physical Review D 106, 063026 (2022)上。

(2022-10-07)

中科大 DAMPE 课题组