丁肇中團隊的“擎天火炬”照亮暗物質

科學家用在國際空間站搭載的阿爾法磁譜儀檢測到了反物質粒子,對反物質粒子的探測與宇宙的暗物質粒子有關,他們不能確定這些反物質粒子的來源。搭載在國際空間站的粒子探測器造價為20億美元,太空的探測過程記錄了過量的反物質粒子。4月3日,開展探測實驗的主要科學家宣佈了他們的發現,除了“暗物質天體”可能是反物質粒子的來源之外,不排除過量粒子來自快速旋轉的脈衝星和銀河系內其它粒子發射源的可能,脈衝星是大質量的死亡恆星在爆炸後留下的殘骸,緻密的天體形成了一種強烈的輻射源。

丁肇中團隊的“擎天火炬”照亮暗物質

作為一種理論推斷的粒子,反物質粒子的存在有實驗的依據,它是一種大質量粒子,反物質與科學家長期尋找的暗物質也許相互關聯,尋找反物質的過程往往伴隨著對暗物質的尋找。暗物質在宇宙組成中佔到大約27%,人們不能直接觀測暗物質的存在,只能能感受到它們的引力效應,暗物質的存在和特性一直是宇宙學未解的謎團,有一種比較流行和認可的解釋,當兩個暗物質粒子發生碰撞時,在“暗物質湮滅”過程中將釋放出反物質電子、或正電子,我們反過來理解,如果發現了過量的正電子,我們可以推測暗物質粒子的存在。

丁肇中團隊的“擎天火炬”照亮暗物質

2011年,倒數第二次執行太空使命的航天飛機將阿爾法磁譜分析儀(AMS)送上了國際空間站,磁譜儀科學團隊的使命是探測太空正電子和其它的高能粒子流,探測暗物質粒子是磁譜儀使命計劃的一部分。這臺磁譜儀到收集了大約250億個宇宙射線粒子,其中包括680萬個電子和正電子,對粒子構成的比重進行分析,科學家發現了正電子存在的超量現象,正常數量出現人們對暗物質和其它粒子源來歷不明的情形,超量的正電子是否預示暗物質的存在?然而,目前收集的數據還缺乏讓科學家預測暗物質湮滅效應的明顯特徵。

丁肇中團隊的“擎天火炬”照亮暗物質

暗物質粒子之間的碰撞也許產生了相對多的、大於中等能量的正電子,但是,能量上升對正電子數量上升的影響十分有限,正電子數量在能量上升的過程中僅增加了“一個點”。當能量超過特定的水平時,正電子數量不升反降、甚至呈直線式的減少。AMS項目的發言人、諾貝爾獎獲得者丁肇中以麻省理工學院科學家的身份出席了歐洲核子研究中心(CERN)舉辦的一個研討會,他對於粒子物理學的檢測現象進行了解釋,“正電子可能來源於附近的脈衝星,如果發生了這種情形,那麼正電子數量將出現低速的下降”,對於高能量的正電子粒子而言,“它的數量下降方式將會告訴所有的一切”。AMX的檢測數據顯示,正電子數量在更高的能級上下降得更快,但是,通常的粒子物理學沒有解釋這種效應,沒有描述高能正電子數量下降的情形,目前不能說明過量粒子現象產生的原因,不能清楚地證實它們的來源。最近幾年,歐洲PAMELA和NASA費爾米計劃的科學家在太空衛星上探測到相似的現象,但是,丁肇中在聲明中表示,AMS第一次檢驗了“過量粒子的細節方面,它擁有高度的靈敏性和精確度”,丁肇中團隊將研究成果發表在4月5日出刊的《物理評論通訊》雜誌。

丁肇中團隊的“擎天火炬”照亮暗物質

丁肇中團隊發佈的數據表明了正電子能量大約為350千兆電子伏特,在接下來的幾年時間,科學團隊將把1000千兆電子伏特的粒子編入目錄中。AMS實驗也許能夠揭示一種反證,即:科學家目前認為的、在更高能級上正電子數量出現“切斷”、“中斷”,或直線下降的現象,如果電子數量的下降是急劇的過程,那麼將會指向暗物質的存在;如果電子數量的下降是逐漸的過程,那麼將會指向脈衝星的存在。丁肇中和他的同行在歐洲核子研究中心(CERN)舉辦的研討會上討論了AMS收集的更高能量的粒子,歐洲同行向丁肇中提出了各種疑難問題,丁肇中發表了自己的見解,“只有當我們確定無疑時才會公佈發現的結果”,科學發現需要一種耐心和謹慎的態度,在給出最後的結論之前需要確定的事實,“沒有一個人會愚蠢到重新做我們正在做的事情,我們需要確保所做事情的正確性”。AMS實驗的準備過程花費了大約18年時間,現在到了對暗物質“說點什麼”的時候。

丁肇中團隊的“擎天火炬”照亮暗物質




(編譯:2013-4-7)


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