引燃暗物质的“普罗米修斯火种”

栏目:优惠 来源:北京财经网 时间:2019-07-20

———潜在的暗物质发现是空间实验科学的胜利

4月3日,研究人员第一次发布了阿尔法磁谱仪(AMS)的探测成果,AMS的造价为20亿美元,它是一台探测宇宙射线粒子的仪器,AMS安装在一个相当于足球场大小的国际空间站的外部,磁谱仪在太空探测到被称之为正电子的反物质粒子,它们也许是暗物质粒子的相互碰撞留下的产物。理论物理学家罗伯特·加里斯托认为,从国际空间站的磁谱仪获得的探测成果具有重要的物理学意义,加里斯托没有参与AMS项目的研究,他目前担任《物理评论通讯》杂志的编辑,AMS的研究成果被收录到新一期的杂志中。

无论AMS探测的数据揭示了什么成果,或预示了暗物质的存在、或预示了其它的粒子发射源,国际空间站都为科学实验搭建了“太空实验室”。国家空间站的造价为1000亿美元,它是一个在轨的空间实验室,站内驻扎了3到6名“全天候”宇航员,AMS的科学使命在于收集宇宙射线粒子,太空中的宇宙粒子非常丰富,由于地球大气层的影响,很大部分的射线被挡在地球大气层以外,我们在地球表面的观测活动受到大气层的干扰。

引燃暗物质的“普罗米修斯火种”

在1年半到18个月的观测活动中,AMS记录了大约300亿个宇宙射线粒子,其中包括40万个正电子,地球观测做不到太空观测的精确性,这是AMS项目的科学价值所在。大量的正电子可能与暗物质现象有关,暗物质看不见,它是一种“隐身物质”,它在宇宙的物质构成中占到了80%,暗物质的神秘莫测与它自身的属性有关,暗物质粒子和普通物质粒子不发生、或很少发生相互作用。它们之间的引力是个例外,人们通过暗物质和普通物质的引力作用来判断暗物质的存在。

根据一种主导性理论的解释,暗物质由弱相互作用的粒子组成,物理学将这种类型的暗物质粒子称之为WIMPS,大质量暗物质粒子在相互碰撞后也许能够发生湮灭作用,也许从中能够产生可以检测的信号。WIMPS粒子可能拥有粒子和反粒子“双重性”的特征,或它们有反物质的伙伴粒子。物质和反物质粒子的相撞能够产生湮灭现象,当两个正反的WINPS粒子发生碰撞时,同样可能产生暗物质粒子的湮灭现象,从中释放出电子和正电子。

引燃暗物质的“普罗米修斯火种”

建造阿尔法磁谱仪的主要动机之一是搜索WIMPS粒子的信号,无论磁谱仪对暗物质的检测有怎样的结果,科学家都以欢呼和欣喜的心情看待AMS的早期观测成果。NASA的航天飞机第一次搭载AMS的发射计划被取消,主要是由于哥伦比亚号航天飞机在2003年发生了空难,对灾难事故的调查和分析进行了很长时间,航天飞机新的发射计划被迫拖延,科学家用各种途径来说服NASA的官员,他们相信,增加一次航天飞机的发射计划很有必要,在他们坚持不懈的劝说下,NASA为退役的航天飞机安排了一次“最后的飞行”,2011年4月,奋进号航天飞机发射升空,它将AMS送上了国际空间站,这是航天飞机30年飞行使命中倒数第二次的飞行。

———造价昂贵的磁谱仪可能发现了暗物质痕迹

难以琢磨的暗物质不发光,人们不能用望远镜来观测它们在太空的存在,它们与普通物质相比却“大放光彩”,暗物质弥漫在整个宇宙,“光彩熠熠”的普通物质在暗物质面前显得“黯然失色”。AMS检测的正电子和粒子物理学一种预期相一致,正电子可能是暗物质粒子相撞后留下的产物,国际空间站搭载的AMS检测了过量的正电子,也许标示了暗物质和其它粒子源的存在。论文的共同作者、夏威夷大学的物理学家维拉尼卡·宾迪认为,从暗物质发出的正电子能够达到高于10吉电子伏特(GeV)的能级。在这之前,科学家实施了由卫星搭载的探测器(PAMELA)、或反物质和光特性天体物理学项目的研究,他们同样检测到了过量的正电子。

引燃暗物质的“普罗米修斯火种”

AMS检测的正电子覆盖大的能级范围,从10GeV到250GeV,在20GeV到250GeV的能级范围,科学家希望发现由暗物质湮灭作用释放的正电子,他们通常认为,随着正电子能级的提升,它们的数量将会出现很大的下降。过量的正电子似乎出现在太空的所有方向,它们不是来自单一的方向。过量的正电子可能来源于弥漫在太空的暗物质。科学家利用用AMS连续收集了680百万单位个正电子和电子的信号,对于正电子是否来源于长期寻找的暗物质?他们需要给出更好的回答。

如果AMS检测的过量正电子不是由暗物质粒子WIMPS的相互撞击带来的,那么存在其它的解释,例如:超新星的遗留物——脉冲星,脉冲星分布在我们银河系的银道面。夏威夷大学的物理学家维拉尼卡·宾迪认为,即便AMS获得了更多数据,目前不能彻底解开过量正电子如何产生的谜团,正电子来源于暗物质、来源于脉冲星,甚至来源于其它的发射地?这是一个有待解决的问题。为了用多种手段来发现暗物质的真相,科学家通过深层的地下实验来检测WIMPS,例如:各国科学家正在进行低温暗物质搜索和氙气探测项目。

引燃暗物质的“普罗米修斯火种”

———麻省理工的丁肇中出席NASA新闻发布会

美国东部时间4月3日,NASA举办了一场新闻发布会,阿尔法磁谱仪第一次的检测成果与公众见面,科学家有机会解释了造价20亿美元的“大仪器”的科学价值,考虑到航天飞机的安全性和经济性,NASA打算放弃AMS的发射计划,科学家坚持不懈地说明AMS项目科学实验的价值,AMS最终飞向太空。阿尔法磁谱仪是一台先进的宇宙射线探测仪,设计和建造它的初衷是为了寻找宇宙的反物质和暗物质,磁谱仪被安装在国际空间站的外部主桁架,诺贝尔奖的获得者、MIT的华裔物理学家丁肇中担任项目主管,16个国家和56个科研机构的200多名科学家“欢聚一堂”,丁肇中团队是一个“国际大家族”。

2005年,NASA取消了航天飞机搭载AMS的飞行使命,2003年,在太空飞行史上发生了一起最大的灾难,哥伦比亚号航天飞机在升空后不久发生爆炸,2011年,航天飞机的“舰队计划”由于大事故的发生而取消。NASA当局一度对AMS冷眼相看,热情不减的科学家却发起了复活AMS的行动计划,他们游说国会的立法者,设法让议员们为探索计划投支持的一票,他们的倡议和努力获得了成功,在经济不景气的背景下,国会没有减少对科学投入的经费,议员们批准了一项额外的追加经费,将AMS送上国际空间站的经费得以落实,2011年4月,奋进号航天飞机将AMS送上近地轨道空间站。科学家说服了NASA和国际空间站的管理层,一项延长空间轨道实验室的方案获得管理层的批准,国际空间站的运行时间将会延长到2020年。丁肇中的科学团队成员充满热情和想象力,他们回应了管理层的决策,准备更换AMS的主要部件,最初的磁铁仅能发挥几年的作用,更换的永久磁铁能够运行更长的时间。

引燃暗物质的“普罗米修斯火种”

2011年4月16日,阿尔法磁谱仪“登陆”国际空间站,仪器在三天后被激活,磁谱仪的运行由NASA位于波斯顿的约翰逊航天中心进行操控。磁谱仪由一种3英尺宽的大体积磁铁组成,磁铁的功能是让接收的射线粒子“像绵羊一样听话”,让这些粒子在弯曲的“路线图”有序地行进,射线粒子被导入探测器的“黑箱”,探测器的功能是测量粒子的电荷、能量和其它物理指标。这部翱翔太空的复杂机器让科学家耗费了16年多的时间,7吨重“命运多杰”的大仪器承载了丁肇中团队的科学梦想。2月17日,丁肇中出席了美国科学进步协会在波斯顿举办的年度会议,他在会议上说到,“这不是在书写一篇小论文”,“这是朝向理解暗物质的性质迈出的一小步”,“没有找到最后的答案,我们不会宣布没有绝对把握的最终结果”。

引燃暗物质的“普罗米修斯火种”




(编译:2013-4-9)

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