阿尔法

美籍华人物理学家丁肇中领导的暗物质研究小组昨天发布重大研究成果，根据国际空间站上阿尔法磁谱仪的首批观测数据，科研人员已经找到了可以证明暗物质存在的6个证据中的5个。 暗物质是现有宇宙构成理论中最关键的假设之一，能够解决宇宙大爆炸理论的不自洽问题。为寻找暗物质，丁肇中于1995年提出了建造阿尔法磁谱仪的国际合作项目，中科院、上海交大、山东大学等中国科研机构都参与了磁谱仪核心部件的建造。2011年5月，阿尔法磁谱仪被送入太空，开始执行为期3年的暗物质探索任务。 距发现暗物质只剩最后一步 当地时间18日晚间，诺贝尔奖得主、美籍华人物理学家丁肇中领导的阿尔法磁谱仪项目，在欧洲核子研究中心公布了最新研究成果，进一步显示暗物质可能存在。这一成果发表在最新一期美国《物理评论快报》上。 据参与该项目的山东大学科学家程林教授介绍，目前阿尔法磁谱仪已发现了1090亿个电子与反电子，在业已完成的观测中，暗物质的6个特征已有5个得到确认。这一研究结果将人类对暗物质的探索向前推进一大步。 到底什么是暗物质呢？上世纪二十年代，物理学家们提出了宇宙大爆炸的学说。根据这一学说，宇宙在大爆炸以前处于真空状态，大爆炸以后才形成了物质世界，据此推断就应该有反物质存在。此后，物理学家们开始了寻找反物质或称暗物质的努力。 &ldquo 暗物质是一种人眼看不到的物质，想要证明它的存在可不容易。&rdquo 国家天文台宇宙暗物质暗能量组首席研究员陈学雷介绍说，1930年左右，科学家发现有一些星系团中的物质，产生的引力要比其他可以看到的星系多一些，但是这些物质不发光，所以就起名为暗物质。 现有物理学假设认为，人类目前所认知的物质世界大概只占宇宙的4%。在这之外，那些不发光不发热的暗物质，则占了宇宙的23%，还有73%是暗能量。 410亿数据将改变人类知识 寻找暗物质主要有3种途径。一种是利用粒子对撞产生直接暗物质；另一种是利用引力场间接探测。暗物质不发光，但是可以产生引力，因此可以通过对引力场变化的测量来寻找暗物质。中国主导的&ldquo 熊猫计划&rdquo （PandaX）就是后一种方法的实践。 阿尔法磁谱仪项目代表了第三种途径。从理论上讲，暗物质相互碰撞会产生过量正电子（所带电荷量与我们常见的带负电的电子恰好相反），因此可以通过探测正电子来寻找暗物质。 自从2011年5月16日被安置到国际空间站迄今，阿尔法磁谱仪已运行四十多个月，共搜集了540亿个宇宙射线数据。刚刚公布的研究成果，是基于对最先收集到的410亿个数据的分析。在这些数据中，科学家观测到约1000万个电子与正电子，这是半世纪来检测到的正电子分率的最大值。 根据丁肇中研究小组此次在美国《物理评论快报》上发布的结果，已发现的宇宙射线中过量正电子的5个特征分别为：正电子比例上升是从8吉电子伏特（1吉等于10亿）的能量开始；在速率方面，正电子占电子与正电子总数的比例快速增加；在275吉电子伏特左右停止增长；比例上升的过程较为均衡，没有明显的峰值；还有正电子似乎来源于宇宙空间的各个方向，而不是某个特定方向。 据丁肇中介绍，证明暗物质所需的最后1个特征就是正电子的产生率会不会突然下降，&ldquo 这个要花很多的时间，&rdquo 丁肇中说，&ldquo 很快下降一定是暗物质跟暗物质对撞产生正电子，因为暗物质能量有限，到一定能量以后就不可能再产生正电子，所以会突然下降。&rdquo 对于这一批数据的意义，丁肇中说：&ldquo 到现在为止我们所得到的结果，没有一个和过去100年所收集的结果是一样，所以也可以这么说，就是所有的结果慢慢改变人类对于这些的了解。&rdquo 中国研制阿尔法磁谱仪核心部件 由丁肇中教授领导阿尔法磁谱仪(AMS)项目是目前世界上规模最大的科学项目之一。阿尔法磁谱仪的结构很复杂，任务很艰巨，但它工作的基本原理却是高中物理中带电粒子在磁场中运动的知识。 说白了，阿尔法磁谱仪就是一个带电粒子探测器，其核心部件是由中国科学家和工程师经 4 年努力研制的永磁体，可以产生一个很强的磁场。当宇宙中的带电粒子穿过这个磁场时，磁场就对它施加洛仑兹力使之发生偏转，这时，记录有关数据，再用电子计算机进行数据处理，就可以从中区分出正电子等各种带电粒子。 丁肇中于1995年提出了阿尔法磁谱仪的设想，并主持其相关的国际合作计划。这计划是一个国际合作项目，动员了来自15个国家31所大学院校的上百名科研人员。 中国科学家为磁谱仪倾注了大量心血，参加阿尔法磁谱仪国际合作的中国单位还包括中国科学院电工研究所、上海交通大学、东南大学、山东大学、中山大学，以及中国台湾的&ldquo 中央研究院&rdquo 物理研究所、&ldquo 中央大学&rdquo 、中山科学研究院等。 阿尔法磁谱仪最关键的永磁体系统是由中国科学院电工研究所、中国科学院高能物理研究所和中国运载火箭技术研究院联合研制，211厂生产制造。 2011年5月16日，美国&ldquo 奋进号&rdquo 航天飞机将阿尔法磁谱仪送入太空，安放在国际空间站上。

5月16日,高精度粒子探测器“阿尔法磁谱仪2”搭乘美国“奋进号”航天飞机驶入寰宇。 　　5月16日，几经推迟之后，高精度粒子探测器——“阿尔法磁谱仪2(AMS–02)”搭乘美国“奋进号”航天飞机的“绝唱之旅”，驶入寰宇。未来10年或更长时间里，它将在国际空间站运行，寻找反物质和暗物质，探索宇宙的起源及其构成。 　　“鲜为人知的是，它体内有一颗强大的‘中国心’——一块‘MADE　IN　CHINA’、内径约1.2米、重约2.6吨、中心磁场强度1370高斯的环形巨大永磁铁。”中科院高能物理研究所所长、中科院院士陈和生接受新华社记者专访时说。 　　“阿尔法磁谱仪”实验是一个大型国际合作科学实验项目。由诺贝尔物理学奖得主、华裔美国科学家丁肇中教授领导，美国、中国、德国等16个国家和地区的数百名研究人员参与其中。陈和生是这个团队首批科学家和主要成员之一。 　　反物质和暗物质是两种“神秘”物质。从理论上讲，它们应当存在，但现实中还没有找到证明它们存在的真凭实据。“宇宙是最终的实验室。”丁肇中在4月底发表的公报中表示。 　　“要分辨物质与反物质，就得想办法测量粒子带正电还是负电。这就需要把一个巨大的磁铁送到太空中去。如果使用常规磁铁，到处弥漫磁场根本无法在太空中运行。”陈和生说。 　　1998年6月，“阿尔法磁谱仪1(AMS–01)”搭载美国“发现号”航天飞机首次进入太空，成为人类送入宇宙空间的第一个大型磁谱仪。当时，陈和生在佛罗里达州肯尼迪航天中心亲历了那次为期10天的实验。 　　“这10天里，中国永磁体经受住了考验，工作正常。时隔13年后的今天，它再次‘披甲上阵’，到国际空间站做长期实验，帮助AMS–02‘捕捉’神秘的反物质和暗物质。”谈起AMS–02最核心部件——中国造永磁体，陈和生无比自豪。 　　丁肇中曾多次坦言，磁谱仪项目是他40多年科研生涯中遇到的“难度最大”的实验，甚至比当初为他赢得诺奖的J粒子实验还要“困难得多”。 　　“最大的挑战就是要将大型磁铁放入太空。”丁肇中说。美国国家航空航天局(NASA)对磁铁的负载安全要求极高。一是要降低漏磁，避免干扰航天飞机和空间站其他仪器的工作。二是磁二极矩必须极小，以免磁谱仪在地球磁场作用下产生转动。 　　按照惯例，NASA对搭载大型设备需做三次安全评估，而中国制造的钕铁硼磁铁只做了两次就顺利“闯关”。业内人士说，这在NASA检验史上还是第一次。 　　这块强大的“中国心”到底神奇在哪里? 　　“中科院电工研究所、高能所和中国运载火箭技术研究院的科学家们通力合作，选择新型高磁能积钕铁硼材料，采用独特的‘魔环’结构磁路设计，64个磁化方向连续变化的永磁条安装其中。这种结构使永磁体磁场约束在AMS磁体内部，漏磁和磁二极矩比NASA的要求小了一个数量级。”陈和生说。 　　不久前，AMS–02曾进行模拟空间测试。科学家根据测试结果决定，沿用曾服役AMS–01的中国永磁体，它可以使磁谱仪使用寿命长达18到20年。 　　此外，AMS-02在AMS-01的基础上增加了若干新的子探测器。其中，中科院高能物理研究所与中国航天科技集团公司的专家和意大利、法国同行共同研制出作为探测器关键部分的电磁量能器。 　　“电磁量能器能精确测量光子和电子的能量，并排除宇宙线质子的本底，对探测的暗物质粒子十分关键。”陈和生说。 　　参加AMS02国际合作的国内单位还有东南大学、中山大学、山东大学、上海交通大学和北京航空航天大学。

阿尔法磁谱仪(又译反物质太空磁谱仪，简称AMS)于2011年被放置到国际空间站(ISS) 　　穿越辐射探测器(Transition Radiation Detector)能检测高能粒子的速度 硅追踪器(Silicon Trackers)用于追踪粒子的运动轨迹，轨迹的弯曲程度显示了粒子的电荷 永磁铁(Permanent Magnet)是阿尔法磁谱仪的核心部件，能令粒子轨迹弯曲 飞行时间计算器(Time-of-flight Counters)能计算低能粒子的速度 星体追踪器(Star Trackers)能扫描星域，以确定阿尔法磁谱仪在太空中的朝向 切伦科夫探测器(Cerenkov Detector)可精确计算快速通过的粒子速度 电磁量能器(Electromagnetic Calorimeter)用于计算影响粒子运行所需的能量 反符合计数器(Anti-coincidence Counter)可将干扰粒子过滤出去。 　　在宇宙的遥远天体之间，引力的作用并不能解释天文学家看到的一切，如果只有这些天体的引力，那各个星系应该处于分崩离析的状态，因此在各个星系之间，还存在把它们联接在一起的物质。天体物理学家将这种理论中的物质称为“暗物质”，我们看不见它们，但它们确实在星系间起着作用。在最大的距离尺度上，宇宙正在加速扩张。因此我们更需要关注与引力作用截然不同的暗物质。目前的理论估计，宇宙的73%为暗能量，23%为暗物质，而只有4%是我们已知的物质。 　　北京时间2月20日消息，据国外媒体报道，作为人类在太空中进行的最为昂贵的实验，阿尔法磁谱仪(简称AMS)项目即将向地球发送回首批观测数据。这个大型的实验装置被放置在国际空间站上，用于探测宇宙射线及高能粒子。 　　诺贝尔物理学奖获得者丁肇中称，将于未来几周内发表涉及暗物质的研究论文。阿尔法磁谱仪项目最初便是由丁肇中提议开始。在宇宙中，正是那些我们看不见的暗物质将各个星系联接在一起。研究者并不了解这些谜一般的宇宙物质如何构成，但有理论提出，大质量弱相互作用粒子(简称WIMP)是暗物质最有希望的候选者，这是一种尚处于理论阶段的粒子。 　　虽然天文望远镜无法探测到大质量弱相互作用粒子，但阿尔法磁谱仪很有希望通过间接的方法来确认其存在，并描述它的性质。即将刊出的研究论文(发表期刊还未确定)将对这项研究的进展作详细阐述。 　　丁肇中在麻省理工学院任物理学教授，他在20世纪90年代中期提出的这个项目如今到了一个重要的里程碑时刻。“我们等待了18个月来写这篇论文，如今到了最后审视的阶段，”丁教授在波士顿的一次美国科学促进会(AAAS)的年会上发言道，“我预计在未来两到三周内，我们就能发布研究成果。我们一共有六个分析小组对相同的数据结果进行分析。如你所知，每个物理学家都有他们自己的见解，我们现在要保证每个人都能同意彼此的观点。这项工作现在已经完成得差不多了。” 　　20亿美元的仪器：“探索未知” 　　2011年，造价20亿美元的阿尔法磁谱仪搭载奋进号航天飞机前往国际空间站，这也是奋进号的最后一次任务。阿尔法磁谱仪重达7吨，拥有一个巨大的特制超导磁铁，能使落在它上面的粒子轨迹发生弯曲。 　　粒子的弯曲轨迹显示了它的电荷，再通过一系列的探测器对粒子的质量、速度和能量等进行分析，科学家便能准确知道捕获的是什么粒子。据丁肇中教授称，在阿尔法磁谱仪运行的最初18个月中，已经探测了250亿次粒子事件。 　　暗物质和暗能量之谜 　　在这些粒子事件中，有近80亿次是快速运动的电子及与其对应的反物质——正电子。理论上，大质量弱相互作用粒子的碰撞和湮灭会产生大量电子和正电子。通过测定二者的比例，以及在能量谱上的行为变化，科学家或许能找到研究暗物质问题的途径。 　　“在对正电子和电子的观测中，如果发现二者比例突然上升然后急剧下降，那就是星系中暗物质湮灭的关键标志，”芝加哥大学卡弗里宇宙学研究所的迈克尔特纳(Michael Turner)教授说，“在能量体系中也要考虑，是否具有各向异性?正电子是从固定的某个方向还是从所有方向出现?” 　　特纳教授并未参与阿尔法磁谱仪的合作项目。他继续说道：“暗物质应该无所不在。因此如果我们发现正电子从某个特定的方向发出，就意味着该信号是来自像脉冲星(一种中子星)一类的天体，而不是暗物质。”据悉，此次阿尔法磁谱仪的数据涉及的是0.5至350GeV(10亿电子伏特)质量范围内的正电子—电子比例。这一范围已经是其他实验中，科学家认为可能发现暗物质的上限。 　　特纳教授说，科学家已经逐渐接近了目标。他预测未来数年将会被铭记为“大质量弱相互作用粒子(WIMP)的十年”，而且通过一系列的研究，包括利用大型强子对撞机制造WIMP等，暗物质的性质将逐渐呈现在我们面前。 　　“理论上，这种粒子的质量大约在质子质量的30、40和300倍之间，即在30至大约1000GeV之间，”特纳教授说，“大型强子对撞机能够制造这样质量的粒子，丁肇中的阿尔法磁谱仪能探测到这样质量的粒子湮灭，而位于深地底的探测器对这样质量的粒子也非常敏感。如果非常幸运的话，我们能同时获得有关暗物质的三个特征信号，分别是通过观测粒子湮灭、直接探测粒子以及用大型强子对撞机制造粒子，这三种方法在同样的质量范围内都很灵敏。”