丁肇中新硕果 过量正电子来自暗物质

诺贝尔物理学奖获得者、剑桥市麻省理工学院丁肇中表示:“我们有4个泵——而我们只需要1个。我们希望在空间站的使用期内一直运行AMS。”

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9月18日,诺贝尔奖得主、美籍华人物理学家丁肇中公布阿尔法磁谱仪项目最新研究成果,进一步显示宇宙射线中过量的正电子可能来自暗物质。
  2011年升空的阿尔法磁谱仪由国际空间站搭载,任务是寻找暗物质并探寻其起源。根据现有理论,宇宙中的暗物质远远多于普通物质,暗物质碰撞会产生过量的正电子,阿尔法磁谱仪可对宇宙射线中的正电子进行精密观测。
  根据最新发布的数据,阿尔法磁谱仪观察到的410亿个宇宙射线事件中,约有1000万个是电子或正电子。从8吉电子伏特(1吉等于10亿)的能量开始,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。此外,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。
  研究人员说,观测到的正电子分布特征与暗物质理论的某个模型一致,该模型认为暗物质由一种称为“中轻微子”的粒子组成。不过,这些过量的正电子到底是来源于暗物质,还是来源于脉冲星等天文现象,还需要进一步分析确认。相关论文发表在最新一期的美国《物理评论快报》上。
  研究小组在同一期杂志上发表的另一篇论文认为,宇宙射线中电子与正电子的通量(即单位时间里通过单位面积的粒子数量)分布显著不同,其特征也显示,过量的高能正电子有可能来自于暗物质碰撞。
  去年2月18日,在美国波士顿结束的美国科学促进会(AAAS)年会上,美国麻省理工物理学家丁肇中领导的研究团队对外宣布,他们的阿尔法磁谱仪(AMS)发现了弱相互作用大质量粒子(WIMP)存在的证据,6个科研小组达成了一致意见,都赞同是探测到WIMP,而WIMP就是一种暗物质的候选体。丁肇中称,将于未来两到三周发表涉及暗物质的研究论文,对这项研究的进展作详细阐述。1976年,因发现“丁粒子”,丁肇中被授予诺贝尔物理学奖。
  当天,中科院理论物理研究所研究员李淼接受东方早报记者采访时表示,根据现在丁肇中透露的消息,只能说探测到暗物质湮灭的信号的可能性比较大,但他没有说这些信号来自暗物质还是脉冲星,“如果丁肇中团队的发现被确认,这肯定是这几十年来的重要科学发现。”
  个人简介   丁肇中(Samuel Chao Chung Ting
)(1936年1月27日-),美国实验物理学家。汉族,祖籍山东省日照市涛雒镇,华裔美国籍,现任美国麻省理工学院教授。上世纪70年代,丁肇中发现一种新的基本粒子,并将新粒子命名为“J粒子”,这个科研成果获得1976年诺贝尔物理学奖。
  名词解释   阿尔法磁谱仪(AMS)
  数百年来,人类观测宇宙主要是借助望远镜搜集远方传来的光,但宇宙中绝大部分物质是暗物质,暗物质不发光,要了解它就得另辟蹊径。除了光子,宇宙中飞行着大量高能粒子(即“宇宙射线”),与光子不同,这些粒子带电、有质量,穿透大气层时很容易发生反应,变成次生粒子,其种类、性质等都发生变化。要直接从宇宙射线中搜集原始的信息,就必须避开大气层。阿尔法磁谱仪(AMS)就是一台直接在太空中运行的高能粒子探测器,它安装在国际空间站上。
  阿尔法磁谱仪目的是寻找宇宙中的反物质和暗物质。2011年5月“阿尔法磁谱仪02”由美国“奋进”号航天飞机搭载至国际空间站长期运行。
  丁肇中表示,“主要任务是收集数据,因为(国际)空间站每90分钟绕地球一次,可能要飞行20年,今后20年都是收集数据,因为从来没有人做过这种实验,这是第一次把一个如此精密的仪器放到太空,所以很难探测将来有怎样的发现。”
  AMS是目前灵敏度最高,也是最复杂、最昂贵的一台暗物质探测设备,代表了当今科学实验的最高技术手段,由16个国家和地区的600余名科学家历时近18年完成,耗资21亿美元。在太空运行的第一年,AMS已经收集了160亿个宇宙线数据,远远超过了上个世纪收集到的宇宙射线数据的总和。
  关键词   暗物质
  暗物质是指一种用人眼看不到的物质,但可以通过引力效应感受到。现有物理学理论认为,人类目前所认知的物质世界大概只占宇宙的4%。在这之外,暗物质占了宇宙的23%,还有73%是暗能量。
  目前,寻找暗物质粒子、研究暗能量的物理本质、探索宇宙起源及演化的奥秘、结合粒子物理和宇宙学的研究已成为21世纪天文学和物理学发展的一个重要趋势。诺贝尔物理学奖获得者李政道教授曾多次指出:“暗物质是笼罩20世纪末和21世纪初现代物理学的最大乌云,它将预示着物理学的又一次革命。”

《中国科学报》 (2015-09-09 第2版 国际)

———造价昂贵的磁谱仪可能发现了暗物质痕迹

Sistilli说,AMS团队可能需要半年到一年的时间给出一个解决方案。

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自从8.5吨的AMS于2011年开始运行以来,它已经追踪了超过690亿条穿过其探测器的宇宙射线。它的目标便是寻找反物质与暗物质。2013年,AMS团队科学家报告说测量到正电子的数据和能量,这一发现暗示了——但没有证实——暗物质的存在。

如果AMS检测的过量正电子不是由暗物质粒子WIMPS的相互撞击带来的,那么存在其它的解释,例如:超新星的遗留物——脉冲星,脉冲星分布在我们银河系的银道面。夏威夷大学的物理学家维拉尼卡·宾迪认为,即便AMS获得了更多数据,目前不能彻底解开过量正电子如何产生的谜团,正电子来源于暗物质、来源于脉冲星,甚至来源于其它的发射地?这是一个有待解决的问题。为了用多种手段来发现暗物质的真相,科学家通过深层的地下实验来检测WIMPS,例如:各国科学家正在进行低温暗物质搜索和氙气探测项目。

而这项试验的科学价值取决于它追踪了多少粒子,因此运行的时间越长,最终的结论便越扎实。“迄今为止我们有一些很棒的科学数据。”Sistilli说,“如果可以,我们真的想要坚持到2024年。”

2011年4月16日,阿尔法磁谱仪“登陆”国际空间站,仪器在三天后被激活,磁谱仪的运行由NASA位于波斯顿的约翰逊航天中心进行操控。磁谱仪由一种3英尺宽的大体积磁铁组成,磁铁的功能是让接收的射线粒子“像绵羊一样听话”,让这些粒子在弯曲的“路线图”有序地行进,射线粒子被导入探测器的“黑箱”,探测器的功能是测量粒子的电荷、能量和其它物理指标。这部翱翔太空的复杂机器让科学家耗费了16年多的时间,7吨重“命运多杰”的大仪器承载了丁肇中团队的科学梦想。2月17日,丁肇中出席了美国科学进步协会在波斯顿举办的年度会议,他在会议上说到,“这不是在书写一篇小论文”,“这是朝向理解暗物质的性质迈出的一小步”,“没有找到最后的答案,我们不会宣布没有绝对把握的最终结果”。

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在1年半到18个月的观测活动中,AMS记录了大约300亿个宇宙射线粒子,其中包括40万个正电子,地球观测做不到太空观测的精确性,这是AMS项目的科学价值所在。大量的正电子可能与暗物质现象有关,暗物质看不见,它是一种“隐身物质”,它在宇宙的物质构成中占到了80%,暗物质的神秘莫测与它自身的属性有关,暗物质粒子和普通物质粒子不发生、或很少发生相互作用。它们之间的引力是个例外,人们通过暗物质和普通物质的引力作用来判断暗物质的存在。

如今,冷却系统再次出现了问题。这些冷却泵与最初设计用来与超导磁体一起运行3年的冷却泵是一样的。AMS的冷却系统由荷兰阿姆斯特丹国家宇航实验室率领的一个国际团队负责制造。

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