阿爾法磁譜儀：在國際空間站的這5年

日內瓦時間2016年12月8日17:00 （北京時間2016年12月9日00:00），諾貝爾物理學獎獲得者丁肇中發布阿爾法磁譜儀（Alpha Magnetic Spectromete，簡稱AMS）在國際空間站上第一個5年的主要科學成果。

我是AMS

阿爾法磁譜儀？也許你不熟悉，來做個自我介紹吧。

我是由丁肇中教授構思建造的粒子物理實驗設備，主要物理目標是在太空精確測量宇宙線粒子，尋找宇宙中的反物質和暗物質。

帶著無數科學家的夢想，2011年5月16日，我隨「奮進」號太空梭升空，在國際空間站上工作——這是人類第一次在外層空間開展粒子物理實驗。

我是目前在太空運行的最強大、最靈敏的粒子物理探測器，利用一個巨大的永磁體及六個超高精確度探測器在宇宙中直接測量帶電粒子，核子和光子。

在距離地球400公里的制高點上，AMS測量與地球大氣相互作用之前的宇宙中的原初宇宙線

作為人類送入太空的第一個大型磁譜儀，相比以往的實驗，我的測量能力非常棒！測量精確度非常高，達到1%的水平，比此前的實驗高一個數量級。自來到國際空間站以來，我已經收集了超過900億宇宙線事例，科學家們已經在物理評論快報上發表了8篇重磅文章，更多的數據分析還在進行中。

為什麼要收集這些宇宙線？收集它們有什麼用？——也許你會問。

因為初級宇宙線由超新星爆炸產生，它們在被我探測到之前已經在星系中旅行了幾百萬年。次級宇宙線由初級宇宙線與恆星際物質的相互作用產生。我探測宇宙線的電荷、能量和動量，可以為科學家更深刻地了解暗物質，尋找重質量反物質，測量初級與次級宇宙線的特徵以及搜尋潛在的新物理現象提供幫助。尋找反物質和暗物質，對探究宇宙的起源和演變有著至關重要的意義，想必這也是你關心的。

我的中國心

我的體內有一顆強大的「中國心」——一塊巨大的永磁體。它是由中國科學院電工研究所和高能物理研究所，以及中國運載火箭技術研究院1995年-1997年在北京設計、研製和空間環境模擬測試。它曾經作為AMS01的核心設備搭乘發現號太空梭與1998年6月2日-12日成功進行了首次飛行，成為人類送入空間的第一個大型磁體。

AMS永磁體系統於1998年、2011年兩次搭載太空梭進入國際空間站

你可能不知道，這顆中國心的背後凝結著中國科學家和工程師的無數汗水。

「漏磁」、「磁二極矩」是普通磁體無法在太空中正常運行的兩個致命缺陷。泄漏的磁場會干擾航天器其他部件的運作；磁二極矩的存在，會讓磁體在地球磁場的影響下轉動，需要耗費大量能量去抵消這種轉動。如果使用電磁鐵，太空中也沒有足夠的功率去供給電能。

中國科學家在設計這顆中國心時，將「每一個鉚釘的受力情況都考慮得一清二楚」，並在結構的安全方面上採用了多重保護機制，確保永磁體性能的穩定性。

最終，這顆內徑約1.2米、重約2.6噸，以釹鐵硼為原材料，採用「魔環」設計的中國心的漏磁和磁二極矩比美國宇航局的要求小了一個數量級。這是美國宇航局第一次搭載中國研製的大型載荷，而且是史無前例的大型磁體，可以想像他們會多麼緊張，嚴格審查。然而中國科學家和工程師精心設計，精心加工，嚴格進行空間環境模擬試驗，數據齊全，無可挑剔。結果，美國宇航局僅對這顆中國心進行了2次安全評審，就開放了綠燈！要知道，按照美國宇航局的規定，大型載荷都需要評審3次。這在美國宇航局歷史上還是第一次！

正是這顆中國心，向世界展示了中國的科技水準。

在國際空間站的這5年

自2011年5月在國際空間站工作以來，我已經收集了超過900億宇宙線事例，科學家們因此獲得了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，並在物理評論快報（PRL）發表了8篇文章，更多的數據分析還在進行中。這些物理成果大大擴展了人類對宇宙線產生、加速以及傳播的認識。值得注意的是，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。

宇宙中究竟有沒有暗物質？

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，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。 這意味著什麼？這樣的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。但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。我相信，在國際空間站預期的壽命內（2024年）收集的數據，我將可以區分出這兩個可能的模型誰對誰錯 。

宇宙中有沒有反物質？

國際物理界高度關注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。然而當今宇宙中還沒有觀察到反物質的原子核，例如反氦核。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年來我收集到了37億個電荷為+2的氦核事例，有幾個電荷為-2，質量在氦範圍內的候選事例，但目前還不能對它們的來源下結論。你知道尋找這麼稀少的事例有多難嗎？打個比方，就好比北京市在下大雨，要從幾百億的雨滴中找出幾滴彩色雨滴！ 可真得慎之又慎，我還要花幾年的時間積累更多的數據，深入分析，以確定這些電荷為-2的事例的來源。

這些宇宙線數據使人類對宇宙線的認識實現了跨越式發展，並對暗物質和反物質的尋找等物理學研究前沿具有重大意義。未來我將一直在國際空間站工作。每當像我一樣的精確實驗被用於探索未知的世界，人類總可以期待嶄新、激動人心的新發現。等待我的好消息吧！

來源：中科院高能所