美籍華人科學家丁肇中主持暗物質研究取得重要成果//阿爾法磁譜儀探索暗物質問與答

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安置在國際空間站的阿爾法磁譜儀（AMS）。丁肇中團隊發布AMS項目18年來第一個實驗結果人類認識暗物質邁出重要一步人類對暗物質的理解和檢測實現新進展。日內瓦時間4月3日下午5點（北京時間4月4日零點），諾貝爾物理獎獲得者丁肇中教授在日內瓦歐洲核子中心，首次公布其領導的阿爾法磁譜儀（AMS）項目18年之後的第一個實驗結果——已發現的40萬個正電子可能來自一個共同之源，即脈衝星或人們一直尋找的暗物質。按照合作協議，丁肇中教授通知負責AMS項目熱系統工程的山東大學程林教授，在濟南進行同一文稿的中文發布。目前，尋找暗物質粒子、研究暗能量的物理本質、探索宇宙起源及演化的奧秘、結合粒子物理和宇宙學的研究已成為21世紀天文學和物理學發展的一個重要趨勢。諾貝爾物理學獎獲得者李政道教授曾多次指出：「暗物質是籠罩20世紀末和21世紀初現代物理學的最大烏雲，它將預示著物理學的又一次革命。」暗物質不發光，也就是不發出電磁波，所以看不見，但與通常物質一樣，暗物質有引力作用。這個引力效應讓天文學家在宇宙空間發現暗物質占宇宙的23%，另外73%是暗能量。而組成我們身邊這個世界的常規物質只佔4%。雖然人們早已經猜測到暗物質可能存在，但一直以來從未明確探測到暗物質粒子，因此，還不能確定暗物質的性質。丁肇中團隊使用的阿爾法磁譜儀(AMS)，是安置於太空中的精密粒子探測裝置，是目前靈敏度最高，也是最複雜、最昂貴的一台暗物質探測設備，代表了當今科學實驗的最高技術手段，由16個國家和地區的600餘名科學家歷時近18年完成，耗資21億美元，實驗過程可能持續15至20年。在此之前，在不同的實驗上都看到了一些「反常」跡象，人們懷疑這些就是暗物質的信號。但是，由於實驗的靈敏度還不夠，這些跡象都還無法確認為暗物質的信號。2011年5月16日，AMS搭乘美國「奮進」號太空梭的最後一個航班，送入太空，在未來20年內，這個實驗是國際空間站上唯一的大型科學實驗。丁肇中曾說：「這將使我們能夠直至宇宙的邊緣尋找反物質宇宙的存在。」在太空運行的第一年，AMS已經收集了160億個宇宙線數據，遠遠超過了上個世紀收集到的宇宙射線數據的總和。2011年5月19日放置至今，AMS已觀測311億個宇宙射線，其能量高達數萬億電子伏特。宇宙射線信號傳送到地面，由AMS實驗項目組分析。從2011年5月19日至2012年12月10日的前18個月的太空實際探測運轉中，AMS分析了250億個初級宇宙射線。其中，科學家們確認了680萬個電子及其反粒子——正電子的事例。由AMS探測的超過40萬個正電子，是當前最多的在太空中直接觀測、分析的高能量反物質粒子。丁肇中團隊的第一個實驗結果認為，高能的正電子不是來自空間某個特定的方向，這些特性表明了新物理現象的論據。這次研究成果在丁肇中看來是朝著人類認識暗物質方向前進的重要一步，但不是最終答案。「我們需要更多的統計量來研究，目前的結果是基於預期收集總數據量的約十分之一的數據。」由於AMS的精確度及可用之高的統計量，AMS磁譜儀被科學家認為有能力探索新物理。曾與丁肇中一起工作的山東大學泰山學者特聘教授、粒子物理學家王萌認為，這是粒子物理和高能物理界期待很久的實驗結果。他相信，隨著AMS最終發布的數據，將能最終澄清能譜是來源於暗物質粒子的碰撞還是銀河系的脈衝星。在AMS項目中，熱系統是最關鍵的部分，因為AMS探測器的溫度波動必須保持在1攝氏度之內，然而由於地球和太陽的相對運動以及地球的自轉等因素，AMS的溫度環境每天都在發生改變。山東大學領導了AMS熱系統構建的所有進程。山東大學程林教授作為AMS熱系統總負責人，全面承擔了設計、組裝和太空驗證AMS整個熱系統的全部工作。在今天的發布會上，程林教授說，在工作18年後，這是AMS項目給大家的一個交代，是標誌性的成績，相信會有越來越多的論文發表，也許不會再等待18年，也許18個月就有新成果發布。他希望，合作夥伴有機會通過這個項目獲得諾貝爾物理學獎。（記者鄭燕峰）分享到：

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新華網北京４月４日電（記者 錢錚）諾貝爾獎得主、美籍華人物理學家丁肇中及其團隊３日公布了其主持的阿爾法磁譜儀項目的首批研究成果，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。雖然目前尚沒有充分證據排除其他可能性，但這批成果向最終找到暗物質存在的可靠證據又邁進了一步。那麼，究竟什麼是暗物質，科學家們為何孜孜不倦地追尋暗物質的足跡，怎樣才能捕捉到這種看不見的物質，阿爾法磁譜儀項目又是怎樣的一個科學項目呢？問題之一：什麼是暗物質？答：暗物質是宇宙中看不見的物質。現在我們看到的天體，要麼發光，如太陽，要麼反光，如月亮，但有跡象表明，宇宙中還存在大量人們看不見的物質。它們不發出可見光或其他電磁波，用天文望遠鏡觀測不到。但它們能夠產生萬有引力，對可見的物質產生作用。迄今的研究和分析表明，暗物質在宇宙中所佔的份額遠遠超過目前人類可以看到的物質。宇宙中最重要的成分是暗物質和暗能量，暗物質占宇宙２５％，暗能量佔７０％，我們通常所觀測到的普通物質只佔宇宙質量的５％。問題之二：探測暗物質有何意義？答：暗物質被認為是宇宙研究中最具挑戰性的課題。目前，暗物質的存在已經被人們普遍接受。人們認為暗物質促成了宇宙結構的形成，如果沒有暗物質就不會形成星系、恆星和行星，更談不上今天的人類了。暗物質的存在是通過天文觀測推測出來的，然而目前被廣泛認可的粒子物理學標準模型預言的６２種基本粒子中不包含能解釋暗物質的基本粒子，因此，探測和研究暗物質很可能導致物理學界新的革命。問題之三：如何探測暗物質？答：暗物質的探測方法主要分為直接探測法和間接探測法。所謂直接探測法是指直接探測暗物質粒子和原子核碰撞所產生的光學、聲學、電子學信號。由於發生碰撞的概率很小，產生的信號也很微弱，通常要把探測裝置安裝在地下深處。暗物質的間接探測法主要是觀測暗物質粒子衰變或互相作用後產生的正電子、反質子、中微子等穩定粒子。由於地球大氣的影響，在地面上無法精確測定粒子的能譜，這類實驗必須要在空間進行。阿爾法磁譜儀項目實際上是一個大型粒子物理實驗，首要目的是尋找宇宙中的暗物質及其起源。暗物質碰撞會產生額外的正電子，這些正電子的特徵會被阿爾法磁譜儀精確地測量到。問題之四：阿爾法磁譜儀是如何製造的？答：阿爾法磁譜儀主結構的主體是一個外徑１．３米、內徑１．１５米、高０．８米的空心高強度鋁製圓柱體。永磁體呈條狀插入主結構，其磁場強度高達１４００高斯。主結構由中國航天科技一院設計，磁體則由中科院電工所製造，採用的是新型高磁能積釹鐵硼材料。「阿爾法磁譜儀１」於１９９８年６月隨美國「發現」號太空梭升空開始科學探索，但最終沒能發現反物質和暗物質。此後，科學家開始研製「阿爾法磁譜儀２」。他們曾嘗試用超導磁體代替永磁體。儘管這種方法可以產生更強的磁場，但超導磁體需要液氦冷卻，太空中無法補充液氦，這樣磁譜儀壽命只有３年。而使用永磁體的磁譜儀的使用壽命長達１８年至２０年，所以專家們決定沿用永磁體。此外，「阿爾法磁譜儀２」在「阿爾法磁譜儀１」的基礎上增加了若干新的子探測器。問題之五：阿爾法磁譜儀是如何工作的？答：阿爾法磁譜儀的主要本領是能夠探測到太空中「流竄」的粒子。這一本領基於其強大而特殊的磁場。帶電粒子進入磁場後軌跡會發生變化，不同帶電粒子的軌跡變化也不同，而不帶電的粒子的軌跡則不會發生變化，因而觀測粒子進入這一磁場後軌跡是否變化，變化程度有什麼不同，就可以推知這是何種粒子。與天文望遠鏡觀測物質發出的可見光和電磁波不同，磁譜儀直接觀測粒子本身。因而，磁譜儀能夠發現天文望遠鏡無法發現的暗物質等。分享到：

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