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阿尔法磁谱仪5年太空实验结果发布

发布时间:2019-10-12 21:28:55

“用一个并不十分恰当的比喻来形容这次AMS的突破,那就是如果说我们之前对宇宙线的认知是一只‘乒乓球’的范围,现在已经扩展到了一只‘足球’的面积。”12月9日,诺贝尔物理奖获得者丁肇中教授主持的阿尔法磁谱仪(AMS)项目对外发布了5年太空实验的结果和突破,AMS热系统总负责人、山东大学空间热科学研究中心主任程林教授在接受科技日报记者采访时做了上述解读。据了解,此次AMS公布的多项实验结果颠覆了人类之前对宇宙线的普遍认识,比如AMS通过准确测量铍—硼流强比例,得到关于宇宙线在星系间传播时间的信息,测得银河系宇宙线的年龄大约是1200万年,这是人类首次获得宇宙线的相对准确年龄;“对1650万电子和108万正电子的测量显示,电子流强与正电子流的强度不同,随能量变化的行为也不一样。”AMS的这一测量也颠覆了以往实验结果。

刚刚与丁肇中教授通过话的程林告诉科技日报记者,“AMS测量的这些涵盖多种宇宙线粒子的精确而独特的数据,不是拓展了人类‘已知的边界’,而是拓展了‘未知的边界’。”

高精度成就全新物理模型

宇宙线(即“宇宙射线”)是来自宇宙空间的高能粒子,是人类获取太阳系外物质样本的唯一渠道,被认为是传递“宇宙大事件”的信使和发现“宇宙加速器”的探针。

丁肇中认为,组成人类已知物质的质子、中子、电子等粒子,只占宇宙的不到5%,而宇宙中95%以上的物质看不见、摸不着,因此称之为暗物质(包括暗能量)。暗物质无法直接观测,却能干扰星体发出的光波或引力等,其存在能被明显感受到。

为寻找暗物质而远赴太空的AMS,每天不间断地记录与采集数以亿计的数据信息,以前所未有的精度探测了宇宙线中正电子流强,正电子比例,反质子—质子比,以及电子、正电子、质子,反质子、氦核以及其他核子的流强,试图找到暗物质的“蛛丝马迹”。

程林表示:“人类通过研究宇宙线来寻找暗物质,根据对电子、正电子和质子流强等的测量数据,建立了很多不同的物理模型。但AMS的突破在于,它以前所未有的精度探索宇宙线,由此形成一个全新的物理模型,就好像原先是‘X+Y=Z’,现在却发现不是这样,而是‘X+Y=W’。用丁肇中先生的话来说,就是AMS项目做了5年,得出了很多不一样的结论,颠覆了我们对宇宙线的认识。”

三大突破颠覆人类传统认识

据了解,丁肇中这次发布的太空实验结果,包含着几项大的突破:

通过对1650万电子和108万正电子的测量,AMS探测结果显示电子流强与正电子流的强度不同,随能量变化的行为也不一样。在60GeV(GeV是能量单位,表示十亿电子伏特。电子伏特代表一个电子在经过1个伏特的电场加速后所获得的动能)以上,正电子、质子和反质子的流强显示出一样的随刚度变化的行为,而电子的行为则完全不同。这一结果与以往实验结果完全不同。

宇宙中的反质子非常稀少,是质子的万分之一,因此,对反质子的精确测量要求异常苛刻。AMS用了5年的时间准确分辨出349000个反质子事例,其中探测到2200个能量高于1000亿电子伏特的反质子事例。这不容易,因为宇宙线反质子的实验数据是了解宇宙中反质子起源的基础。与此同时,质子是宇宙线种最丰富的粒子。AMS利用3亿个质子事例,将质子流强测量达到1%的精度。结果显示,质子流强不能被简单地描述成单一的幂律谱,质子能谱指数随能量变化。这一结果改变了几十年来对宇宙线的普遍认识。

同时,AMS通过7个子探测器鉴别了不同种类的基本粒子和原子核,包括氦、碳、氧等轻原子核和更重的原子核,一直到铁核。AMS测量的碳—氦流强比和氧—碳流强比是与刚度无关的。而出乎意料的是,质子—氦流强比却随着刚度的增加而迅速但平滑的下降。AMS也测量了其他的次级宇宙线,包括硼和铍。测量铍—硼流强比例将能得到关于宇宙线在星系间传播时间的信息。AMS通过这一测量测得银河系宇宙线的年龄大约是1200万年。同样重要的是,硼—碳流强比没有任何显著的结构,与很多宇宙线模型的预言不同。

“AMS的这次突破,是不是意味着我们找到暗物质指日可待?”程林并不这样认为,他表示,“寻找暗物质没有时间表。目前可能只是刚刚开了个头,可能以后还要花5年、10年,甚至更多时间才能有更大收获,但科研的意义更在于探索的乐趣,以及意想不到的发现。”

完成“不可能完成的任务”

“无论是科研数据和物理模型,还是科研过程和时间表,AMS实验的一切都是不确定的。唯一确定的是在我们有生之年,可能看不到它的应用。”

尽管找到暗物质还“遥遥无期”,但程林团队仍醉心于AMS科研,收集间接证据,寻觅“蛛丝马迹”。

AMS随国际空间站每90分钟经历-40℃—+60℃的温度周期性变化,极端热环境低温则可至-90℃、高温可至+230℃,因此需要精确的热控制系统以保证其部件的正常运行。作为实验者,程林团队不能像控制卫星那样控制国际空间站的方向与姿态,同时AMS必须使粒子穿越,也不能像卫星一样进行全面的隔热保护。这似乎是“不可能完成的任务”。

历经数年,几经反复,程林团队最终设计完成了这一高难度任务。“看不到应用,却仍热衷于AMS实验,是什么在支撑你继续下去?”

“根据牛顿的说法,世界万物都处在一个巨大的‘数学和谐’之中,都遵守某种数学规律,如果我们得到的东西与已知的不一样,那意味着一定有更深层次的规律等待我们去发现。这种好奇心,引导着我们走下去。”

实际上,寻找暗物质,丁肇中团队前前后后已经研究了30多年。在与程林交流时,他常常提到一句话,“或许不能发现反物质,但可能会有其他发现。科学实验的目的和实验结果往往不一致。例如2000年日本地下实验室要探测质子的寿命,结果却发现了中微子的质量;发明哈勃望远镜的目的,本来是银河探索,结果发现了宇宙射线和暗能量。”

暗物质距离生活有多远?丁肇中说,“120年以前,电子被发现了,然后X光被发现了,当时大家觉得这跟日常生活没有关系,但现在电子和X光影响整个人类的生活。30年代最尖端的科学,原子物理和量子科学,现在应用到了现在的手机上。”

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