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“40萬個正電子”,暗物質將走出謎團?

2013年04月10日08:08    來源:科技日報    手機看新聞

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  2011年,當美國奮進號航天飛機用自己的最后一次飛行將“阿爾法磁譜儀2”(AMS-02)送至空間站后,美國媒體稱其送上天的是一塊“心血之結晶”,而“這台儀器如果按計劃實現目標——探測到了暗物質的蛛絲馬跡,那它將給丁肇中帶來人生中另一座諾貝爾獎杯”。

  據英國BBC網站報道,2013年4月,物理學家丁肇中及其團隊公布了由其主持了18年的阿爾法磁譜儀項目首批研究成果:現已收集到40萬個正電子,數據誤差隻有1%,實驗觀察到宇宙射線流中正電子存在的比率符合關於暗物質存在的理論預測。

  但研究者言辭謹慎,卻讓大眾覺得模棱兩可,究竟那40萬個正電子是什麼概念,人類為什麼要千方百計尋覓暗物質?新成果能讓我們解開它的謎題嗎?

  暗物質是永遠繞不開的題目

  關於暗物質,最常聽見的一句話就是:它在宇宙中所佔的比例,遠高於目前人類所有能看到的常規物質。

  其實,暗物質課題之所以如此具有挑戰性,皆因其並不能為肉眼和常規探測設備所發現——無論先進設備用什麼波段的光尋找,都不行。

  但我們又不能對暗物質置之不理,這就好像是宇宙中覆蓋了一張縱橫交錯編織而成的巨大卻看不見的網,這張網的脈絡波及深遠,促成的不只是我們頭頂點點繁星,還包括我們人類自身。但在科學史上,人們從不曾完整揭開它的面紗——隻有質量能泄露它們的蛛絲馬跡,而關於暗物質本身的成分和結構,仍形同迷霧。

  這就是物理學基本理論中有著重要意義的一環。進一步的科學研究,永遠也繞不開橫亙在人類與暗物質之間的溝壑。正因如此,近些年財政吃緊的西方國家,卻都不願意放棄對暗物質研究的投入。

  也可以說,探測暗物質一事,關乎人類對整個宇宙形成、演化的理解和完善。畢竟,宇宙的概念,不但涵蓋了我們看得見的那小小一部分,還包括了我們尚沒能力看見的絕大部分。

  而現在,人們想要探測暗物質,有兩個辦法:將儀器放在地下深處,或者送上太空。阿爾法磁譜儀項目就是后者。

  阿爾法磁譜儀2証明了其價值

  在磁譜儀中,有一個非常關鍵的部分就是永磁體,採用了磁場強、漏磁小的釹鐵硼永磁材料,能使探測器中的磁場是地球磁場的4000倍(地球磁場約為0.5高斯),可以直接探測到通過其中的單個粒子﹔飛行時間閃爍器的作用是在粒子或反粒子經過探測器時進行記錄、讀數,並測量粒子的速度﹔而硅微條探測器則由上千個硅傳感器組成,用於測量粒子的軌跡﹔氣凝膠切倫科夫閾值計數管則可確定反質子的存在,並能幫助科學家將正電子或負電子與其他粒子如質子、介子區分開來。而暗物質粒子,被認為是大質量弱相互作用粒子(WIMP),擁有自身的反粒子。

  這些七暈八繞的闡釋,說明了為什麼丁肇中在“暗物質探測結果”的發布會上不停地提到“反物質粒子”一詞——這是磁譜儀的工作原理。更主要的,這也說明磁譜儀並不同於常規探測設備。它可是人類尋找暗反物質之路上最大的一顆“希望之星”。有以上儀器的協作,阿爾法磁譜儀2就可以收集數百萬光年外的恆星、星系等宇宙射線源的信息,通過觀測反物質和暗物質研究宇宙的起源和結構,其數據還會作為大型強子對撞機(LHC)的重要補充。

  作為上一代磁譜儀的繼任者,阿爾法磁譜儀2已經可以位列有史以來最昂貴及最復雜的太空儀器排行榜之中了。但20億美元的花費,可不僅僅是為了暗物質,甚至也不僅是為了反物質——AMS-02肩負的是數十年來高能物理學家們一直在尋找的幾個基礎問題的答案:物質的最基本的成分是什麼?使得這些基本粒子相互作用的最根本的力又是什麼?——換句話說,AMS-02要以宇宙為實驗室,回答地球提出的終極問題。

  而此次發布的首批成果,用美國國家航空航天局(NASA)官方網站的一句話來說:AMS-02証明了其價值。

  人類將解開暗物質之謎?

  據此次公布的成果,AMS項目目前已收集到40萬個正電子,項目領導者丁肇中表示:“遠超出人們的想象。此前包括美國費米望遠鏡等項目都曾觀察到過量正電子現象,但數據誤差很大,而AMS的誤差隻有1%。”美國每日科學網站則援引丁肇中的話:“這是有史以來第一個在太空以1%誤差這種精度進行測量的。”但丁肇中同時坦承:“我們目前還沒有充分証據去排除其他可能性。”

  對於這一結論許多人摸不到頭腦。不過NASA官方網站的消息或將說明其意義:在描述完AMS項目的工作原理后,該文章稱“更為重要的是,結果指出, AMS-02已經看到了可被証明是難以捉摸的暗物質的証據”,需要的是“更多的研究工作來增進這一發現”。

  可以認為,此次AMS-02以非常高精度的指標,“看”到了暗物質粒子的線索。保守的看法是,新公布的成果向最終找到暗物質存在的可靠証據又邁進了一步。不過,據歐核中心總干事的說法,以AMS-02的精度,加之地球與空間設備的互補,“我完全有信心在未來數年內揭開暗物質之謎”。

  科學發現每天都在進行,隻有很少一部分能夠推動甚至改變人們對客觀世界的認識,暗物質無疑就是其中之一。希格斯玻色子的出現正在認証中,暗物質也正在一步步走向人類觸手可及之處,就算數年后答案揭曉,謎題也並非到此為止,想來探索的征程也永不會結束。(張夢然)

(責編:袁博(實習)、馬麗)


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