反物質與暗物質——阿爾法磁譜儀實驗的新結果

上個月初，丁肇中教授領導的AMS-02實驗公布了他們的實驗結果。《牛頓－科學世界》邀我寫一篇科普文章，我和研究生黃曉淵寫成此文，日前已在該雜誌上刊出，發表的版本略有刪節。

關於暗物質，一個最常被公眾問到的問題就是「暗物質是不是反物質？」對於一般人來說，「反物質」和「暗物質」聽上去都是挺神秘的東西，但這二者其實是指不同的事情，不過彼此之間也並非毫無聯繫。前不久（2013年4月3日）諾貝爾物理學獎獲得者丁肇中教授在歐洲核子中心(CERN)公布了他所領導的阿爾法磁譜儀（AMS)組的工作，這既是一個反物質探測實驗，又是一個暗物質探測實驗。

1.反物質

反物質在今天可謂大名鼎鼎，一般人都聽說過－－雖然也許不一定了解它究竟是什麼。我們都知道，相對論和量子力學是現代物理學的兩大基礎。1928年，英國物理學家狄拉克試圖把二者結合起來，建立一套滿足相對論的量子力學理論。他的理論預言自然界應該存在一種與普通的電子質量、自旋等性質都相同，唯獨電荷相反的粒子。這聽上去很瘋狂，因為從來沒有人見過這樣的粒子。但1932年，Carl Anderson 在實驗中真的發現了這種粒子，證實了狄拉克的預言。由於這樣的粒子電荷與電子相反，因此不妨稱其為反電子。不過，它還有一個更常用而且很容易把人弄糊塗的名字：「正電子」，這裡的「正」指的是它的電荷是正的，而不是指它是正粒子，而我們普通所說的電子，本來是真正的「正物質」，卻被稱為「負電子」。不過這是個特例，質子是帶正電的，它對應的反物質粒子就稱為反質子，而並不叫做負質子，請讀者千萬不要搞混了。後來其它基本粒子的反粒子也陸續被發現了。反物質與正物質碰到一起時，比如說正電子與負電子碰到一起時，就可能同時消失，轉化為兩個高能光子，光子的能量由愛因斯坦的質能公式決定：E=mc²。這裡m就是電子的質量。這個正反粒子相互作用後消失而產生其它粒子的過程叫做「湮滅」，湮滅後產生的粒子靜質量往往比原來的粒子低得多，比如光子的靜質量就是0，因此正反粒子對的一大部分質量可以轉化為動能。正因為有這樣的性質，在科幻小說里反物質經常作為星際飛船的能源出現。

今天象正電子這樣的反物質已經不足為奇了，雖然現在還不能象科小說里那樣製造和儲存大量反物質，但在較小的規模上反物質已得到了應用，比如在不少醫院裡現在可以做正電子斷層掃描，使用的就是正電子。在實驗室中產生正電子也很簡單，有些不穩定的同位素核比如氟18衰變時，就會產生正電子。還有一種辦法是，可以用較大的能量讓不同的粒子發生碰撞，在高能量的碰撞中會產生各種各樣的粒子，其中就往往會有反粒子。因此，對於粒子物理學家們來說，反物質並不陌生。不過,物理學家們對反粒子越是熟悉，就越難回答這樣一個問題：既然反物質與正物質除了電荷相反之外看上去幾乎沒有什麼區別，為什麼我們周圍都是正物質而幾乎沒有反物質呢？上帝為何如此偏愛正物質而歧視反物質呢？當然，如果正物質和反物質剛好一樣多，那麼它們最終都會湮滅掉，地球和人類將不存在，也不會有人提出這樣的問題了！可是，人們還是不免會問，究竟是什麼因素決定了正物質多於反物質？在茫茫太空之中，會不會哪裡有個反地球，上面生活著由反物質組成的你我呢？

在上世紀60年代，一位名叫阿爾文(Alfven)的瑞典物理學家就提出了這樣的設想。這位阿爾文教授是一個非常特立獨行的科學家，他的許多思想和表述是如此非正統，以至於他的論文常被業界的主要學術期刊拒稿，往往發表在一些沒人聽說過的期刊上，甚至當他獲得了諾貝爾獎之後，很多物理學家對他仍然不怎麼尊敬。阿爾文的主要貢獻是在等離子體方面，等離子體中的一種波就被稱為阿爾文波。不過，他還有一個很著名的猜想，就是也許宇宙分為許多不同的區域，有的區域里的物質是正物質，而有的區域里的物質則基本是反物質。在這些區域的交界處，正反物質相遇湮滅，產生的光子使邊界處形成炙熱而稀薄的等離子體，它們之間相互的壓力保持這些不同的區域分隔開。在夜空中，用大型的望遠鏡可以看到數以億記的星系，阿爾文想像其中有一些星系，也許就是反物質組成的：畢竟，反物質同樣可以形成原子，甚至凝聚成星球，只要不接觸正物質，我們很難看出它們有任何異常。

上世紀90年代，丁肇中教授在考慮自己下一個要做的研究題目時也許想起了阿爾文的反物質星系。丁肇中1936年生於美國，他祖籍山東日照，在台灣長大後到美國從事粒子物理實驗研究，成為麻省理工學院的教授。他設計安裝在粒子加速器中的複雜探測儀器，能夠探測到那些在高能量的正負電子碰撞中產生的粒子，重建它們的軌跡並精確測量它們能量。1974年，在分析實驗數據時，他的小組發現了一種新的粒子，幾乎與此同時，另外一個小組也發現了這種粒子，兩個小組分別用英文字母J和希臘字母y命名這種粒子，因此後來這一粒子就被稱為J/y粒子。後來的研究表明，J/y粒子是由一種新的夸克組成的，這種夸克被稱為粲夸克(charm quark)，丁肇中也因此獲得了1976年度的諾貝爾物理學獎。此後，丁肇中繼續從事高能物理實驗研究。1980年代，歐洲核子中心(CERN)開始建造大型正負電子對撞機(LEP)，這是當時世界上最重要、規模最大的粒子物理實驗，這一對撞機上有四個探測器組，其中稱為L3的探測器就是由他領導的團隊研製並運行的，有近四百名來自世界各國的研究人員參加，這一實驗1989年開始運行，發表了許多重要的論文。

90年代初，丁肇中已年屆六旬，功成名就，領導著L3這樣的大實驗組。對於多數人來說，處在這個年紀和地位，可能不會再去費力氣開始一個全新的大型實驗了。但是，丁肇中並不是這樣想的。他有一個新的設想：把粒子探測器弄到地球大氣層之外的太空中，看看能不能找到反物質。如果阿爾文的理論是正確的，那些由反物質組成的星系中會有大量由反粒子組成的原子核，比如反氦核，甚至反碳核、反鐵核等，也許有一些這樣的粒子會穿過正反物質區域的邊界，跑到我們地球附近來，那麼我們就可能探測到它。

阿爾文的理論從來不曾成為宇宙學的主流理論，不過60年代這一理論剛提出來時它仍不失為一種有趣的可能。畢竟，狄拉克的反電子也曾顯得相當瘋狂卻最終被實驗證實。但是，到了90年代，隨著天文學的發展，在大量的觀測面前，阿爾文的這種圖景已經不太能站得住腳了。如果宇宙中有象他預言的那樣的反物質區域的話，在正反物質區域交界處，應該有湮滅產生的大量伽瑪射線，這時已有了一些伽瑪射線天文觀測，而並沒有任何觀測表明存在這麼大量的伽瑪射線。另一方面，也有許多實驗，特別是宇宙微波背景的實驗，支持宇宙大爆炸理論。按照大爆炸理論，宇宙早期的確存在很多反物質，正物質和反物質的密度相差也許只有一百億分之一，但這二者是混合在一起的，而並沒有象阿爾芬設想的那樣在空間上分隔開來，因此後來隨著宇宙中溫度降低，它們都會相互湮滅，轉化為光子[1]。正物質稍多一點，因此最後得以存留下來，至於為什麼宇宙早期正物質會略多那麼一點點，時至今日也還是個未解之謎，物理學家們提出了種種猜想，但迄今還無法確定哪一種是正確的[2]。

不過，儘管可觀測的宇宙中似乎並不存在反物質區域，在空間中尋找反物質粒子還是件很有意義的事。空間中仍然有少量的反物質粒子存在，但它們主要是「基本粒子」，比如反質子和正電子，而不是由多個反物質粒子組成的反原子核。這些反粒子來自何處呢？它們是不穩定核素衰變以及高能量粒子碰撞中產生的。這些過程產生的反粒子碰到正粒子時會發生湮滅，不過星際空間中物質的密度很低，因此反粒子在湮滅前還可以傳播相當長的距離。因此，只要宇宙中存在高能量的粒子，就一定會有少量反物質粒子存在，但是它們很難象在阿爾文所設想的反物質世界裡那樣結合成由多個粒子組成的反原子核。

2.宇宙線

二十世紀初人們就已經發現，有一些高能量的粒子從地球外飛來，它們大部分被地球大氣層所阻隔，但還是有不少到達我們生活的地面。這些粒子被稱為宇宙線。這裡我們要稍微解釋一下，有時我們說地球大氣層之外的空間是真空，這是和地球大氣相對比說的。嚴格地說，那裡並不完全是真空，而是有一些密度相當低的氣體，此外還瀰漫著一些更為稀少的、我們剛才說到的高能宇宙線粒子。

在粒子物理學界，粒子的能量常用百萬電子伏特（MeV)或十億電子伏特(GeV)表示，一電子伏特是一個電子在通過一伏特的電場時獲得的能量。作為對比，溫度大約一萬度的氣體，其中每個核子的動能大約是一個電子伏特的量級。因此，我們可以看出宇宙線粒子所具有的能量遠遠大於我們日常熟悉的環境中一般粒子的能量，甚至也遠高於太陽和其它恆星內部的粒子能量。

宇宙線粒子中最多的是質子，也就是電離的氫原子的核，其次是電離的氦核，這並不令人奇怪，因為這些正是宇宙中最常見的元素，此外當然也有許多其它的原子核，也有電子，還有正電子、反質子等反物質，但數量比正物質少得多。

越是能量高的宇宙線粒子越是稀少。實際上，很久以來人們就認識到，宇宙線粒子的能譜也即能量分布近似服從冪律分布，也就是粒子數量正比於E^-n ，其中冪律指數n~2.5。如圖所示，10¹¹eV（100 GeV)能量的宇宙線粒子，每平方米每秒有一個，而10¹⁶eV(1千萬GeV)能量的宇宙線粒子則是每平方米每年有一個。宇宙線中的電子比較少一些，也呈冪律分布，但其冪律指數約為3。

宇宙線能譜（取自維基百科），橫軸為能量，縱軸為流量，圖中用藍色陰影表示測量誤差

這些具有很高能量的宇宙線粒子來自哪裡呢？著名的物理學家費米認為，它們可能是逐漸加速而獲得這樣的能量的。這些天體加速器是什麼呢？現在一般認為主要是在超新星遺迹中逐漸加速獲得能量的。在銀河系中，不時有一些恆星發生劇烈的超新星爆炸，這些爆炸之後在幾萬年甚至更長的時間裡，它產生的衝擊波會一直在星際空間傳播，直到其能量最後耗盡。一些粒子碰上衝擊波後，就象乒乓球撞上向它揮來的球拍一樣獲得一些能量。當然，在一次碰撞中得到的能量並不多，但這些粒子是帶電的，在磁場的作用下粒子會繞圈飛行，反覆回來，每次都獲得一些能量，因此其能量會越來越高，其在磁場中迴轉的半徑也就越來越大，直到其半徑大到超過了磁場的範圍，這時它們就脫離了超新星遺迹，在銀河系中傳播。銀河系中也有磁場，因此它們在銀河系中也是繞著螺線飛行，逐漸擴散到整個銀河系中。這種機制產生的宇宙線粒子能量就服從冪律分布。在這一過程中，有些宇宙線粒子會與其它粒子相碰，併產生許多次級粒子，其中也包括正電子、反質子等反物質粒子。由於宇宙線粒子的能量分布是冪律分布，在這些碰撞過程中產生的反粒子其能量分布也應該是冪律分布。

如果宇宙線次級粒子是反物質的唯一來源的話，找到這些反粒子有一定科學意義，但似乎還談不上帶來突破性的發現。不過，到了丁肇中提出到太空中去找反物質的時候，人們又想到了另一種反物質粒子的可能來源，它比宇宙線次級粒子要有意思的多。

3. 暗物質

這個新的反物質粒子來源就是神秘的暗物質，而暗物質正是現代天文學和物理學中最大的謎團之一。

彗發座星系團

早1930年代，瑞士天文學家弗里茲·茲威基（Fritz Zwicky）就通過觀測星系團最早發現了暗物質。茲威基在研究彗發座星系團的成員時發現其中的星系運動速度異常的高，通過計算對如此高速運動的星系束縛所需要的引力，估算出星系團的總質量應該是其可見物質質量的一百倍以上。也就是說，在該星系團中99%以上的質量是看不見的，我們只能通過引力「感覺」到它們的存在，茲威基就將這些質量稱為暗物質。儘管茲威基的結果在剛發表時並沒有多少人理會，但此後越來越多的觀測結果都間接證實了暗物質的存在。比如，和茲威基觀測星系團同樣的原理，通過觀測星系中恆星和氣體的公轉速度，也確認了星系中有大量暗物質存在。我們的銀河系中暗物質總質量大約是可見物質（包括發光的恆星和不發光的星際氣體物質等）的20倍。最後，人們發現宇宙中不可見的暗物質遠多於可見的發光物質。

暗物質是什麼呢？人們首先想到的當然是不發光的普通物質（宇宙學上稱為重子物質），如氣體、行星等。但是，經過多方面的研究，發現它們只能占暗物質的一小部分，而不足以構成暗物質的主要部分。根據宇宙中輕元素的丰度以及微波背景輻射(CMB)等測量，可以知道重子物質只佔宇宙總密度的約5%，而暗物質與重子物質共占宇宙總密度的約1／3（其餘2／3是現在成為暗能量的一種更為奇特的物質形式），所以暗物質不可能是由普通物質所構成。

我們迄今為止只能通過引力作用知道暗物質的存在，而無法直接看到它。不過，根據天文上的許多觀測，我們可以推測到它的許多性質。大量研究表明，它不是我們今天已知的任何一種粒子，它不發光（不參與電磁相互作用），它的運動速度不能太快（「冷」或「溫」暗物質而不能是「熱」暗物質）。就目前而言，最被看好的暗物質模型是所謂弱相互作用重粒子（Weakly Interacting MassiveParticle，WIMP）。

物理學上發現了物質的四種基本相互作用形式，一般讀者都比較熟悉萬有引力和電磁相互作用，但除此而外，還有兩種相互作用力，被粒子物理學家稱為強相互作用和弱相互作用。所有的物質都參與萬有引力作用，但未必參與其它幾種相互作用。比如，電子就不參與強相互作用，而中微子不參與強相互作用和電磁相互作用。如果一種粒子不參與電磁相互作用和強相互作用，那麼就象中微子一樣，很難被發現，有充當暗物質的可能。本來，最容易想到的可能的暗物質就是人們早已發現的中微子，但已知的幾種中微子質量太小，因此作為暗物質候選者早已被排除。但是，可以設想存在某種粒子，不參與強相互作用和電磁相互作用，但參與弱相互作用，同時質量比質子和中子大，這樣的粒子就是WIMP。

WIMP之所以成為暗物質的熱門候選者主要有三個原因：首先，WIMP具有「冷暗物質」的各種性質，而基於冷暗物質的宇宙學模型與觀測符合得比較好。其次，在粒子物理理論中比較容易構造出符合WIMP特點的粒子。例如，流行的超對稱理論就預言可能存在最輕超對稱粒子，這種粒子如果不帶電就很容易符合WIMP的特性。如電子和反電子一樣，WIMP 暗物質粒子也有可能相互湮滅。一種可能性是，暗物質也可以區分為正粒子和反粒子，相互湮滅。還有一種可能是，暗物質粒子和反粒子是同一種粒子（拿我們熟悉一點的粒子舉例，光子的反粒子也是光子），這樣兩個暗物質粒子之間也可以湮滅。在宇宙早期物質密度比較高，暗物質粒子之間可以相互湮滅，形成其它粒子，對於具有典型的弱相互作用的暗物質粒子，它們之間發生湮滅的速度正好是這樣一個值，使得最後遺留下來的暗物質粒子的密度恰恰與目前的WIMP具有粒子物理上的所謂「弱相互作用」截面，這個截面大小決定了在宇宙早期大爆炸後會有多少WIMP殘留下來，成為暗物質。按照熱大爆炸理論計算，如果反應截面是「弱相互作用」截面的數量級的話，WIMP的數量也剛好和暗物質密度的觀測值基本相符。

超對稱暗物質湮滅：兩個超對稱暗物質粒子（中性微子）湮滅後最終產生正負電子對或質子－反質子對

暗物質粒子湮滅後可能會產生穩定的高能粒子如伽馬射線、正電子、反質子、中微子等，如果我們能夠精確測量這些粒子的能譜，可能會發現暗物質粒子留下的蛛絲馬跡。其中，與我們這裡討論的問題直接相關的，是正電子和反質子這些反粒子。一般的宇宙線粒子雖然在碰撞時可能產生反粒子，但產生的數量相對於正物質粒子比較少，其能量分布也是冪律譜。WIMP湮滅產生的正物質粒子和反物質粒子數量一樣多，因此會導致較高的反粒子密度。而且，由於暗物質粒子本身有特定的質量，兩個WIMP湮滅時釋放的總能量的2Mc²,如果這由兩個粒子帶走，那麼每個粒子的能量就是暗物質粒子的質量。因此，這樣產生的反物質粒子能量分布不會是冪律譜，而是在暗物質粒子質量附近有一個峰。探測反物質的能譜，是間接地尋找暗物質的一種很好的方法。

4. AMS 實驗

丁肇中教授和很多實驗物理學家一樣，並不特別注意時髦的理論。在一次演講中他說，問題不在於暗物質理論是否正確，而在於當一項實驗測量了以前沒有測過的東西時——在更高的能量上，或者以更高的精度，或者在以前從未進行過的地方比如太空進行時，就有可能做出新的發現。在90年代，丁肇中提出的阿爾法磁譜儀(AMS)實驗正是這樣一種實驗。當然，前面所說的間接探測暗物質的前景，使這項實驗對整個科學界特別是理論家來說也頗有吸引力。

阿爾法磁譜儀由分層放置的不同類型的粒子探測器組成。當一個高能量的粒子穿過它時，這些不同的探測器可以測出其飛行軌跡，產生的輻射和次級粒子，測出其能量。阿爾法磁譜儀中包括一個巨大的磁鐵，它使進入探測器的帶電粒子軌跡發生偏折，這樣就可以測出其電荷和質量，從而判斷粒子的種類。AMS-02原計劃使用超導磁鐵，這樣其磁場比較強，將有更高的靈敏度。但是，後來超導磁鐵的低溫製冷系統在研發中遇到了困難，達不到空間站工作的需求，因此最終還是使用了永磁鐵，這樣雖然靈敏度低一些，但由於永磁鐵不象超導磁鐵那樣需要在低溫下才能運行，可以在空間站上運行的壽命更長。

阿爾法磁譜儀示意圖, 中間為磁鐵，圖中繪出了一條穿越探測器的粒子軌跡和各探測器的記錄點。TRD:渡越輻射探測器，TOF:飛行時間探測器, ACC:反偶合計數器，探測器，RICH：環形切倫柯夫成像探測器，ECAL:電磁能量器。

在太空進行的實驗與地面的實驗不同，太空的環境惡劣，發射的成本很高，如果發生了故障很難象地面實驗那樣可以隨時修理或者更換部件，而且弄不好還會危及到整個航天器和航天員的安全。因此，任何太空的科學實驗都要經過仔細的設計和長期的準備，需要投入大量的人力物力。這需要一個大團隊的合作，而不是單個或少數幾個科學家的打拚。團隊的領導者，不僅要起到組織協調的作用，在學術上把握整個研究方向和整體方案，還要花費大量時間去爭取經費上和政治上的支持。丁肇中教授在這些方面顯然都做得非常成功。整個AMS團隊包括來自16個國家和地區的56個單位，五百多名科學家參加。其中，我國有北京航空航天大學、山東大學、高能物理研究所、東南大學、中山大學、上海交大、中國運載火箭技術研究院、中國科學院電工研究所等單位，還有台灣的中央大學、中央研究院、中山科學研究院、國科會等也參予了這一項目。中國科學家和技術人員在項目中發揮了非常重要的作用。

首先進行的是AMS－01實驗，它被搭載在發現號太空梭上，1998年6月2日飛入太空。許多國家參與了AMS－01實驗，我國科學家也在其中發揮了相當重要的作用，包括提供探測器所需的高磁場強度永磁鐵。AMS-01獲得了觀測結果，驗證了這一實驗的技術可行性。這一實驗發現的反物質都是象正電子、反質子這樣的簡單粒子，而沒有發現反氦核，這又是否定阿爾文反物質星系理論的一個證據。

2011年5月，奮進號太空梭停靠在國際空間站上

國際空間站上的AMS－02實驗

在此基礎上，丁肇中教授又組織了AMS-02實驗，這一實驗計劃研製更大、更精密的探測器，放到國際空間站上，進行長期的觀測。國際空間站是由美國、歐盟、俄羅斯、日本和加拿大共同研製的一個空間站，由很多模塊拼接而成，長72.8米，寬108.5米，高約20米，總質量約450噸，上面有航天員長期值守，進行各種實驗。AMS-02是一個重約6.7噸的探測器，呈柱形，搭載在國際空間站上。由於AMS 實驗需要用的電力相當多，把它放在單獨的衛星上比較困難，而大型的國際空間站電力比較充足，因此正適合搭載這一實驗。

AMS－02原訂2005年發射，幾經推遲後，AMS-02於2011年5月19日由奮進號太空梭運到國際空間站並安裝在空間站大梁的外面。此後，AMS-02就開始了不間斷的運行。

5. 宇宙線中的正電子異常

AMS 並不是唯一的試圖探測宇宙線中反物質的實驗。自上世紀90年代以來，有好幾個氣球實驗，如HEAT, CAPRICE等將探測器帶到大氣高層以探測宇宙線中的正電子。這些實驗雖然誤差比較大，但卻已有跡象表明，正電子在宇宙線中的比例與正電子的能量有關。在其所能探測的範圍內，能量越大，正電子比例越高。這與正電子僅僅是宇宙線次級粒子的模型不太一致，有可能表示正電子還有別的來源。

2008年後，由俄羅斯、義大利、德國和西班牙聯合研製的PAMELA衛星，以及美國等國研製的費米伽瑪射線衛星實驗組先後發表了它們的宇宙線正電子實驗結果（費米衛星雖然以伽瑪射線探測為主要目的，但也可以觀測正電子）。它們都發現在大於10GeV的能量處，觀測到的正電子的比例相比宇宙線模型的預期值要高。另一個有我國紫金山天文台參加的氣球實驗ATIC還發現宇宙線中總的正電子加負電子（該實驗不能區分這二者）流量也比理論預期要高，而且在800GeV附近可能有一個峰，如果這些結果是正確的，那麼似乎它們都暗示在傳統的宇宙線次級粒子之外，高能量的正電子還有其它來源。這個來源是什麼呢？有可能是暗物質！這些觀測結果引起了研究者們極大的興趣。

不過，理論研究也表明，用暗物質解釋這一觀測現象也不那麼簡單。原來，如果這些正電子來自暗物質湮滅，那麼就要求這一湮滅速率比較高。但是，這樣的話在宇宙早期就會有較多的暗物質湮滅，而今天遺留下來的暗物質數量就比較少，可能與宇宙學觀測相矛盾。

有一些理論物理學家設計了一些物理機制試圖解決這一矛盾，比如假定由於某種共振反應機制，在宇宙早期高溫條件下湮滅截面小，而在宇宙晚期低溫條件下湮滅截面大（湮滅截面是暗物質粒子本身的物理特性決定的，湮滅的速率與之成正比）。不過，深入研究的結果表明，這些機制要取得成功的話需要相當苛刻的條件，因此顯得過於人為而不自然。還有一些理論家猜想，在宇宙早期有另一種粒子，衰變後產生了我們今天的暗物質，因此暗物質所具有的大湮滅截面不會導致宇宙早期由於大量湮滅而只遺留太少的暗物質。這些模型避免了矛盾，但在這些模型中要引入新的參數，而且無法象原來的模型那樣，根據暗物質的弱相互作用湮滅速率自然地解釋其現在丰度。

有一些學者認為，這些實驗觀測到的正電子超出也許不一定是暗物質導致的。觀測表明有些脈衝星也在產生正電子。如果恰好在我們太陽系附近有幾個脈衝星，也許就可以解釋我們所觀測到的正電子超出。

更為複雜的是，不同的實驗其結果也不完全一致，比如費米實驗與ATIC實驗就不完全一致，眾說紛紜之中，真相究竟如何呢？專為探測反物質粒子的AMS-02實驗其設計遠比上述實驗精密，因此人們熱切地期待著AMS－02的實驗結果能夠解開這一謎團。

6. AMS 的實驗結果

AMS 把參與實驗的人分成A組和a（希臘字母阿爾法）組,各自獨立地進行數據處理，然後再進行對照，以確保數據處理無誤。2013年2月下旬，AMS實驗組宣布他們將在不久之後發表與暗物質有關的實驗結果，這引起了人們的關注。4月3日，丁肇中教授在CERN 報告了他們的實驗結果，這一結果也同時發表在物理評論快報(PhysicalReview Letters)上。

AMS-02以前所未有的實驗精度進行了宇宙線正電子觀測，在前18個月的觀測中，AMS-02實驗組測到了250億個宇宙線事例，並確認了其中包含680萬個電子、正電子的事例，證實了之前PAMELA和費米等實驗所發現的正電子比例相對於宇宙線理論預言的超出。由於高能量的事例比較稀少，PAMELA和費米實驗在高能區數據較少，而由於AMS實驗數據較多，他們可以獲得更高能量的正電子譜。AMS-02的實驗誤差比以前的實驗都小得多，但它證實了以前實驗所發現得總的趨勢：正電子的比例在較低能量時（<10GeV)本來在逐漸降低，但在較高能量時這一比例開始上升,這一趨勢一直持續到現在數據的能量上限350GeV以上。他們也探測到了一些更高能量的事例，但這些事例比較少，出於謹慎，目前還沒有公布350GeV以上[3]。這些「超出」的正電子有可能是暗物質湮滅產生的。

2013年4月AMS－02發布的正電子在宇宙線中的比例，包括AMS觀測與其它實驗的數據對比。根據宇宙線粒子能譜的冪律分布，隨著粒子能量的增加，其比例應該不斷下降。但實驗發現在能量大於10GeV時，正電子的比例開始上升，這些「超出」的正電子有可能是暗物質湮滅產生的。圖中數據點上下的線段表示實驗的誤差範圍，AMS－02的實驗誤差最小。

AMS-02的另一個實驗結果是測量了這些正電子射來的方向。帶電粒子在磁場中是旋轉飛行的，因此我們看到的宇宙線粒子的入射方向並不指向它的源。不過儘管如此，如果這些正電子來自極少數近處的源比如說脈衝星的話，在這些方向上宇宙線的流量還是會略微高一些。AMS－02測量了來自不同方向的正電子比例，結果在各能量段都得到了各向同性的結果，這一結果不支持正電子超出來自近鄰源（比如少數脈衝星）的解釋，不過也還沒有完全排除這種可能。

7. 結語

總之，從AMS-02這次公布的數據看，正電子比例隨能量升高的現象確確實實是存在的，這些超出的正電子可能不是宇宙線次級作用產生的，而有可能來自暗物質。但是，另一方面，這一證據仍然是間接的，而且如前所述，用暗物質解釋它也存在需要的湮滅截面過大的問題，並非那麼簡單。

那麼，有沒有什麼辦法能夠確認正電子確實來自暗物質呢？前面說過，由於暗物質本身有一定的質量，因此它的湮滅產生的正電子能量有一個峰，峰值比較接近暗物質質量，而且這個峰會比較尖銳。反之，如果是其他原因產生了正電子超出，那麼可能就沒有峰，而只有比較平緩的斜坡或鼓包。因此，如果我們能在正電子比例中探測到這個能量上的峰，就比較有把握了。ATIC實驗給出了在800GeV附近的峰，但費米實驗沒有觀測到峰，而只觀測到比較平緩的譜。AMS的實驗精度和可靠性高得多，但目前還沒有給出這一能量段的結果，不過在稍低的能量，譜的形狀比較接近費米實驗的結果，而數值還更低，這與ATIC的結果似乎不太一致，對暗物質湮滅理論的支持也不太強。隨著運行時間增長，觀測到更多事例後，也許可以給出對更高能量處的正電子比例的測量結果。

我國南京紫金山天文台也計劃發射一顆暗物質探測衛星，進行暗物質間接探測實驗。該衛星具有較好的能量解析度，希望能找到正負電子能譜中的峰。

暗物質和暗能量是21世紀初物理學天空上的「兩朵烏雲」。20世紀初的「兩朵烏雲」（以太漂移問題和黑體輻射問題）曾導致了相對論與量子力學的發現，那麼暗物質和暗能量又預示著什麼樣的突破呢？我們期待著解開秘密的那一天。

[1]宇宙早期溫度正反粒子也會發生湮滅，但這時大量存在的高能粒子相互碰撞，還會不斷產生出反物質粒子，因此這時反物質粒子很多。

[2]當然，還存在著這樣的可能，就是阿爾文的設想在極大的尺度上成立，我們宇宙中整個可以觀測到的部分都處在一個正物質區域內，但在此之外存在反物質區域，我們目前還看不出有什麼辦法可以用觀測證實或者證偽這種可能性。

[3] 讀者會注意到圖中實驗數據的絕對值大小相差較多，而變化的趨勢比較一致，實際上絕對流量是比較難測準的，對於檢驗不同的理論來說後者更重要。

王皓明

一；宇宙學模型建立的正確與否，決定著宇宙學的研究方向的正確與否。有人認同大爆炸宇宙學模型，有人認同多重宇宙學模型。二；反物質的定義現在基本上是清楚的了，反物質的產生也是清楚的。人類現在可以製造出反粒子和反原子了，反物質還不能製造出來。那麼有沒有反物質和反物質區域那？我也認為是存在的。可能存在有反物質星系團（群）和反物質星系，反物質行星，反物質宇宙小岩石等等。當然按大爆炸宇宙學模型不會有反物質宇宙，按多重宇宙學模型，還可能存在反物質小宇宙。三；暗物質的定義現在還不確定，起碼是有爭議的。按暗物質的定義解釋不同會產生多種暗物質。如；星系團（群）和星系中心的物質到底是暗物質還是黑洞？是不是不發光和不反光的物質都可以叫暗物質？所以我們的物理學家現在首要的問題是解決暗物質的定義問題。我同意這個觀點；黑洞大爆炸時產生的正物質和反物質的比例是大體相同的。按大爆炸宇宙學模型是；黑洞大爆炸時產生的正物質和反物質的比例是大體相同的，只是正物質比例略多些才形成了我們的正物質宇宙。按多重宇宙學模型是；黑洞大爆炸時產生的正物質和反物質的比例是大體相同的，只是黑洞大爆炸時其圍繞黑洞周圍旋轉的星系團（群）的性質是正物質的還是反物質的決定的。黑洞大爆炸後這些星系團（群）由於突然失去了向心引力而產生鏈球效應向四周做膨脹運動，隨著黑洞大爆炸氣體的擴散，向心引力進一步慢慢的減小，這些星系團（群）會產生加速運動現象。