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“40万个正电子”,暗物质将要走出谜团?

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  2011年,当美国奋进号航天飞机用自己的最后一次飞行将“阿尔法磁谱仪2”(AMS-02)送至空间站后,美国媒体称其送上天的是一块“心血之结晶”,而“这台仪器如果按计划实现目标——探测到了暗物质的蛛丝马迹,那它将给丁肇中带来人生中另一座诺贝尔奖杯”。

  据英国BBC网站报道,2013年4月,物理学家丁肇中及其团队公布了由其主持了18年的阿尔法磁谱仪项目首批研究成果:现已收集到40万个正电子,数据误差只有1%,实验观察到宇宙射线流中正电子存在的比率符合关于暗物质存在的理论预测。

  但研究者言辞谨慎,却让大众觉得模棱两可,究竟那40万个正电子是什么概念,人类为什么要千方百计寻觅暗物质?新成果能让我们解开它的谜题吗?

  暗物质是永远绕不开的题目

  关于暗物质,最常听见的一句话就是:它在宇宙中所占的比例,远高于目前人类所有能看到的常规物质。

  其实,暗物质课题之所以如此具有挑战性,皆因其并不能为肉眼和常规探测设备所发现——无论先进设备用什么波段的光寻找,都不行。

  但我们又不能对暗物质置之不理,这就好像是宇宙中覆盖了一张纵横交错编织而成的巨大却看不见的网,这张网的脉络波及深远,促成的不只是我们头顶点点繁星,还包括我们人类自身。但在科学史上,人们从不曾完整揭开它的面纱——只有质量能泄露它们的蛛丝马迹,而关于暗物质本身的成分和结构,仍形同迷雾。

  这就是物理学基本理论中有着重要意义的一环。进一步的科学研究,永远也绕不开横亘在人类与暗物质之间的沟壑。正因如此,近些年财政吃紧的西方国家,却都不愿意放弃对暗物质研究的投入。

  也可以说,探测暗物质一事,关乎人类对整个宇宙形成、演化的理解和完善。毕竟,宇宙的概念,不但涵盖了我们看得见的那小小一部分,还包括了我们尚没能力看见的绝大部分。

  而现在,人们想要探测暗物质,有两个办法:将仪器放在地下深处,或者送上太空。阿尔法磁谱仪项目就是后者。

  阿尔法磁谱仪2证明了其价值

  在磁谱仪中,有一个非常关键的部分就是永磁体,采用了磁场强、漏磁小的钕铁硼永磁材料,能使探测器中的磁场是地球磁场的4000倍(地球磁场约为0.5高斯),可以直接探测到通过其中的单个粒子;飞行时间闪烁器的作用是在粒子或反粒子经过探测器时进行记录、读数,并测量粒子的速度;而硅微条探测器则由上千个硅传感器组成,用于测量粒子的轨迹;气凝胶切伦科夫阈值计数管则可确定反质子的存在,并能帮助科学家将正电子或负电子与其他粒子如质子、介子区分开来。而暗物质粒子,被认为是大质量弱相互作用粒子(WIMP),拥有自身的反粒子。

  这些七晕八绕的阐释,说明了为什么丁肇中在“暗物质探测结果”的发布会上不停地提到“反物质粒子”一词——这是磁谱仪的工作原理。更主要的,这也说明磁谱仪并不同于常规探测设备。它可是人类寻找暗反物质之路上最大的一颗“希望之星”。有以上仪器的协作,阿尔法磁谱仪2就可以收集数百万光年外的恒星、星系等宇宙射线源的信息,通过观测反物质和暗物质研究宇宙的起源和结构,其数据还会作为大型强子对撞机(LHC)的重要补充。

  作为上一代磁谱仪的继任者,阿尔法磁谱仪2已经可以位列有史以来最昂贵及最复杂的太空仪器排行榜之中了。但20亿美元的花费,可不仅仅是为了暗物质,甚至也不仅是为了反物质——AMS-02肩负的是数十年来高能物理学家们一直在寻找的几个基础问题的答案:物质的最基本的成分是什么?使得这些基本粒子相互作用的最根本的力又是什么?——换句话说,AMS-02要以宇宙为实验室,回答地球提出的终极问题。

  而此次发布的首批成果,用美国国家航空航天局(NASA)官方网站的一句话来说:AMS-02证明了其价值。

  人类将解开暗物质之谜?

  据此次公布的成果,AMS项目目前已收集到40万个正电子,项目领导者丁肇中表示:“远超出人们的想象。此前包括美国费米望远镜等项目都曾观察到过量正电子现象,但数据误差很大,而AMS的误差只有1%。”美国每日科学网站则援引丁肇中的话:“这是有史以来第一个在太空以1%误差这种精度进行测量的。”但丁肇中同时坦承:“我们目前还没有充分证据去排除其他可能性。”

  对于这一结论许多人摸不到头脑。不过NASA官方网站的消息或将说明其意义:在描述完AMS项目的工作原理后,该文章称“更为重要的是,结果指出, AMS-02已经看到了可被证明是难以捉摸的暗物质的证据”,需要的是“更多的研究工作来增进这一发现”。

  可以认为,此次AMS-02以非常高精度的指标,“看”到了暗物质粒子的线索。保守的看法是,新公布的成果向最终找到暗物质存在的可靠证据又迈进了一步。不过,据欧核中心总干事的说法,以AMS-02的精度,加之地球与空间设备的互补,“我完全有信心在未来数年内揭开暗物质之谜”。

  科学发现每天都在进行,只有很少一部分能够推动甚至改变人们对客观世界的认识,暗物质无疑就是其中之一。希格斯玻色子的出现正在认证中,暗物质也正在一步步走向人类触手可及之处,就算数年后答案揭晓,谜题也并非到此为止,想来探索的征程也永不会结束。

(来源:科技日报)

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