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20亿美元阿尔法磁谱仪探测宇宙暗物质,丁肇中新

2019-09-07 14:10
丁肇中:阿尔法磁谱仪将为寻找新物质提供新精度

9月7日,欧洲核子研究中心介绍,“阿尔法磁谱仪2”计划于明年2月由美国“奋进”号航天飞机送入国际空间站,开始长达十余年的寻找反物质和暗物质之旅。 据介绍,“阿尔法磁谱仪2”在位于日内瓦的欧洲核子研究中心阿尔法磁谱仪实验室组装完成后,已于8月底运往美国肯尼迪航天中心,目前其状态良好。研究人员正在为它搭载美国航天飞机的最后一次飞行做准备。 阿尔法磁谱仪项目是由诺贝尔奖获得者、美籍华人丁肇中牵头的,其主要目标是寻找备受科学家关注的反物质和暗物质,并探测宇宙射线的来源。寻找和研究这两种物质有助于揭开宇宙诞生和演变之谜。 要寻找反物质和暗物质,最直接的办法就是寻找“流窜”在太空的反物质和暗物质粒子。由于大气层会吸收反物质和暗物质粒子,因而在地面上不可能探测到它们,所以科学家需要把探测仪放入太空。 “阿尔法磁谱仪2”原计划于2004年由美国航天飞机送入太空,但其行程因2003年“哥伦比亚”号失事被一拖再拖。在此期间,以丁肇中为首的科学家对阿尔法磁谱仪2型进行了不断改进,其中曾尝试用超导磁体代替永磁体,但最终经模拟空间测试仍决定使用永磁体。目前“阿尔法磁谱仪2”采用的永磁体就是1998年阿尔法磁谱仪1型太空实验时使用的,是由中科院电工研究所等制造的。 据介绍,这一项目投入达20亿美元,研究人员来自美、欧、亚三大洲16个国家和地区的56个研究机构,其中包括中科院电工研究所、高能物理所、山东大学、东南大学、中山大学等。它被认为是继人类基因组计划、国际空间站计划和强子对撞机计划之后的又一个大型国际科技合作项目。

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。”

阿尔法磁谱仪(Alpha Magnetic Spectrometer)是一个计划安装于国际空间站上的粒子物理试验设备。其目的在于探测宇宙中的奇异物质,包括暗物质及反物质。 2009年11月初,诺贝尔物理学奖获得者丁肇中教授宣布,阿尔法磁谱仪将于2010年7月29日早上7点30分在美国肯尼迪空间中心搭乘奋进号航天飞机的STS-134航班升空,送到国际空间站,开始为期3年的探索之旅。

“去年5月19日至今,阿尔法磁谱仪已收集到170亿个宇宙射线数据,远超过去100年人类收集到的宇宙射线数据总和。”诺贝尔奖得主、阿尔法磁谱仪项目首席科学家丁肇中教授6月19日在日内瓦说。当天,在日内瓦附近的欧洲核子研究中心阿尔法磁谱仪项目办公室,丁肇中告诉新华社记者,未来20年内,在距离地球近400公里的国际空间站上,阿尔法磁谱仪将收集到3000亿个数据,为人类寻找新物质提供前所未有的精度。2011年5月16日,美国“奋进”号航天飞机耗资5亿美元执行最后一次任务,将太空粒子探测器“阿尔法磁谱仪2”送至国际空间站。3天后,宇航员操纵机械臂,将7.5吨的阿尔法磁谱仪安装在空间站外部金属托架上。260分钟后,阿尔法磁谱仪收集到的首批数据发回位于日内瓦的控制中心。由此,国际空间站从探索空间技术的平台升级为负有更重要使命的科研平台。今年76岁的丁肇中教授说,阿尔法磁谱仪项目实际上是一个大型粒子物理实验,首要目的是寻找宇宙中的暗物质及其起源。宇宙中大约90%的物质是暗物质,暗物质碰撞会产生额外的正电子,这些正电子的特征会被阿尔法磁谱仪精确地测量到。丁肇中还说,阿尔法磁谱仪能捕捉到远至可见宇宙边缘的信号,它的另一目的是寻找由反物质组成的宇宙。假如宇宙是由大爆炸而来,大爆炸以前是真空,那么大爆炸之后应该有相同数量的物质与反物质。换言之,大爆炸后既然有物质世界存在,就应存在相应的反物质世界。他解释说,反物质的存在已在加速器上得到证实。科学家面临的问题是:是否存在基本粒子组成的反宇宙?由于物质和反物质在大气中相互湮灭,人们无法在地面上探测到反物质。而宇宙是最广阔的实验室,宇宙中射线能量远高于任何加速器,阿尔法磁谱仪项目是唯一直接在太空中研究这一课题的大型科学实验,用永磁体来测量反物质在磁场中的轨道。阿尔法磁谱仪在广阔太空中大显身手,而地面上的物理学家则设计了通过粒子对撞模拟宇宙大爆炸的试验,希望从微观世界揭开宇宙起源的奥秘。欧洲核子研究中心正在通过两个强子对撞实验项目寻找被称为“上帝粒子”的希格斯玻色子,这种粒子是物理学“标准模型”中唯一一种仍未被确认的。研究人员利用大型强子对撞机对希格斯玻色子的寻找,可能在今年年底得到答案。

这台价值20亿美元、重达7吨的阿尔法磁谱仪是台巨大的机器,机器中心有一块专门设计的磁块。磁块能扭曲高能带电粒子的运动轨迹--宇宙射线,把射线导向一系列的感应器上,并由感应器分析这些粒子的来头。在地面上,人们建造了大型的粒子加速器,并让粒子相互对撞,以模拟它们在宇宙中产生时的过程。

但是,任何地面上的粒子加速器都无法与宇宙的自然粒子加速器相比较--地球上的环境会吸收宇宙射线,因此科学们利用阿尔法磁谱仪去捕捉宇宙中“原汁原味”的粒子,以弥补大型强子对撞机在实验上的不足。

从科学研究的角度来讲,赌注很大。阿尔法磁谱仪能够发现神秘暗物质的对撞结果,而暗物质在巨大的宇宙中占据着很大的空间。阿尔法磁谱仪能捕捉到名为“奇异夸克”的事物,甚至能解释为什么我们所看到的宇宙,为何其绝大部分是由物质而不是反物质构成。

中国科学家为磁谱仪项目所作贡献得到了项目首席科学家丁肇中、项目组以及其他国家科学家的广泛赞誉。丁肇中曾对记者表示:“中国科学家为磁谱仪实验作出了决定性贡献。” 美国航天局专家肯·鲍尔曾在验收产品后对其上司说:“如果你们要找一家能够设计和制造一流航天产品的机构的话,那我告诉你,中国有个运载火箭技术研究院,他们有能力完成这个任务。”

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