人類探索暗物質有了新收穫!丁肇中總結阿爾法磁譜儀運行五年的豐碩成果

為探測暗物質，阿爾法磁譜儀上天5年了。日內瓦時間2016年12月8日下午，國際著名物理學家，諾貝爾物理學獎獲得者丁肇中教授在瑞士日內瓦歐洲核子研究中心舉行學術報告會，總結髮布了阿爾法磁譜儀在國際空間站運行五年來的豐碩物理成果。

部分結果顯示：AMS通過準確測量鈹-硼流強比例，得到關於宇宙線在星系間傳播時間的信息，測得銀河系宇宙線的年齡大約是1200萬年，這是人類首次獲得宇宙線的相對準確年齡；「對1650萬電子和108萬正電子的測量顯示，電子流強與正電子流的強度不同，隨能量變化的行為也不一樣。」AMS的這一測量結果顛覆了以往實驗結果，刷新了科學家對宇宙線的認識；利用3億個質子事例，AMS將質子流強測量達到1%的精度，結果顯示，「質子流強不能被簡單地描述成單一的冪律譜，質子能譜指數隨能量變化。」這顛覆了人類之前對宇宙線的普遍認識。

阿爾法磁譜儀（簡稱AMS）是迄今為止在太空運行的最強大,最靈敏的粒子物理探測器。AMS具有人類送入太空的第一個大型永磁體，能在太空精確測量宇宙線中的帶電粒子和光子。AMS探測器非常精密，接收度大，冗餘可靠，並在CERN（歐洲核子中心）進行了細緻的束流測試，使它的測量精度達到前所未有的1%水平，比以往的實驗提高約一個數量級。自從2011年5月安裝在國際空間站上，開始獲取數據，將一直持續運行到國際空間站使命結束（2024年）。

▲阿爾法磁譜儀

AMS已經收集了超過900億宇宙線事例，獲得的主要物理結果已經在物理評論快報（PRL）發表了8篇文章，包括有許多重大的發現。更多的數據分析還在進行中。AMS的物理成果大大的擴展了對宇宙線產生、加速以及傳播的認識。它的許多測量結果是現有的物理學、天文學和宇宙論的理論還無法解釋的，要求物理及天文學家們提出創新的理論模型。

丁肇中教授報告的AMS最新結果涵蓋多種宇宙線粒子的精確獨特的數據，包括在宇宙空間測量的正電子流強，正電子比例，反質子-質子比，以及電子、質子，反質子、氦核以及其它核子的流強，是宇宙線測量的一次的跨越式發展。

丁肇中教授報告了國際物理界高度關注的最新的正電子流強和正電子比例結果，這與暗物質的尋找密切相關。觀測結果表明：從8GeV開始，正電子流強與正電子比例在傳統宇宙線碰撞模型的基礎上開始上升，然後在高能量處顯示出急劇減少的趨勢。正電子的數據與暗物質質量為1TeV的暗物質模型很好地符合。另一個可能的解釋是源於天體物理現象，如脈衝星。目前還無法得到明確結論。通過在國際空間站預期的壽命內（2024年）持續地收集數據，AMS將可以分辨出這兩個可能的模型。

▲安裝在國際空間站上的阿爾法磁譜儀

丁肇中教授還報告了AMS測量了反質子-質子流強。一般認為反質子來自原初宇宙線,如質子,與星際物質的碰撞.但AMS測到的反質子-質子流強比顯著超出了宇宙線碰撞產生的理論預期值。超出的反質子不可能來自於脈衝星，但可以被暗物質碰撞或其它天體物理現象所解釋。

國際物理界高度關注的AMS的另一個重大物理課題是尋找反物質原子核。宇宙大爆炸模型要求在宇宙極早期物質和反物質的數量是相等的。然而當今宇宙中缺失複雜形式的反物質。所以，在宇宙線中觀測到單個反氦核事件具有非常重大的意義。5年來AMS收集到了37億個電荷為+2的氦核事例。迄今為止我們觀測到幾個電荷為-2，質量在氦範圍內的事例。當宇宙線中的反物質候選事例率約為每年1個並且信號（反氦候選事例）/本底（氦）的排除率要求達到1/10億的時候，需要對探測器和物理反應過程有深刻細緻的理解，這是極其困難並且需要投入大量時間的過程。今後幾年AMS的主要的任務之一，就是進行極其嚴格的探測器驗證和收集更多的數據，以確定這些電荷為-2的事例的來源。

AMS譜儀精確測量多種宇宙線粒子的結果是宇宙線觀測的一個里程碑，並對暗物質和反物質的尋找等物理學前沿研究有重大意義。

AMS是丁肇中教授領導的大型國際合作項目，由來自15個國家與地區的科學家組成。中國大陸參加AMS國際合作組的單位包括：中國科學院高能物理研究所和電工研究所，中國運載火箭技術研究院，山東大學，中山大學，東南大學，北京航空航天大學等單位，對AMS的研製、運行和數據分析做了重要的貢獻。

其中，AMS探測器最關鍵的大型永磁體和主結構是由中國科學院電工研究所和高能物理研究所，中國運載火箭技術研究院在北京設計和研製的，並成功進行空間環境模擬實驗，成為人類送入太空的第一個大型磁體。高能所和中國運載火箭研究院還與義大利和法國合作，成功研製了電AMS磁量能器。

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