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反物质去哪了?
来源于:新华网时间:2017-05-19 00:00:00
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在丁肇中的倡导下,第一代阿尔法磁谱仪AMS-01在1998年6月由“发现号”航天飞机送入太空,这个相对简单的探测器证明了在太空中进行粒子探测的可能性,但并没有探测到任何反氦原子核。经过AMS-01的雏形之后,由美国能源部及十几个国家共同投资,来自56家机构的500多名科学家共同参与设计的升级版本AMS-02,在2011年由“奋进号”航天飞机送往太空。2011年5月19日,宇航员们操纵一个机器手臂把这个1立方米大小、重达8.5吨的巨大磁体安装在了国际空间站的外侧,进行太空粒子探测。

几年的时间过去,在美国航空航天局关于阿尔法磁谱仪的实时网页上显示,这个机器已经在太空中工作了2100多天,探测了宇宙空间中超过1000亿个粒子。被AMS-02捕捉到的绝大多数都是质子和氦原子核,也有一些自由电子、碳原子核、氧原子核和铁原子核,另外还有极少的反质子和正电子(分别是质子和电子的反粒子)。丁肇中最为关心的是AMS-02探测到的各种反粒子,这正是他当年提议和设计阿尔法磁谱仪的初衷,希望能够理解为什么在宇宙中物质占绝对多数,而反物质则极其稀有。另外,丁肇中认为这些反粒子的能量和来处,可能为人类寻找暗物质提供线索,因为这些反粒子可能就是某种暗物质粒子的产物。

这个花费了15亿美元的探测项目所探测到的零星反物质粒子,此前并没有在物理学界引起太大反响。与丁肇中的意见不同,很多物理学家认为这些反粒子只不过是宇宙中一些人们已经司空见惯的天文现象所产生的副产品罢了,如脉冲星、超新星爆发,都可能产生出大量的反物质,不足为奇,起码以目前的天文学理论都能做出可行的解释。

但是AMS-02的另外一些发现却可能完全改变人们对这个项目的看法。在几年间探测到的上千亿个粒子之中,有“四五个”粒子信号引起了丁肇中的注意——AMS-02有可能首次在太空中探测到了反氦3原子核,一种由两个反质子、一个反中子形成的反物质原子核。尽管丁肇中还没有正式就这个发现发表科学论文,但一旦确认了在茫茫宇宙中存在这种极为稀少的原子核,一定会让众多的物理学家和天文学家感到激动,并且开始正视阿尔法磁谱仪项目的意义,这为人类在宇宙中寻找反物质提供了新的思路。阿尔法磁谱仪AMS-02在2011年由“奋进号”航天飞机送入太空

2016年12月8日,AMS-02项目发布了阿尔法磁谱仪进行探测的第一个五年数据总结。在列举了各种数字和图表之后,报告只在接近结尾处轻描淡写地提了一句,在5年的探测中,大概每一年都会有一个反氦原子核的疑似信号。随后在2016年12月12日,丁肇中在欧洲核子中心做了一个关于阿尔法磁谱仪进行宇宙射线探测数据的报告。在报告中,他同样没有明确承认AMS-02发现了反氦原子核,只是含糊地表明,“还没有排除几个有可能的信号”——这种表述,加上随后几个月的各种传闻,已经足以在物理学界引发热潮。当年的AMS-01没有发现反氦原子核,相比之下AMS-02的灵敏度提高了1000倍。寻找反氦原子核正是阿尔法磁谱仪项目最重要的目标之一,发现反氦原子核的意义与发现反质子或正电子完全不同。

目前,人类还没有任何宇宙学模型可以解释,何以在宇宙空间中能够出现反氦原子核——现在人们所理解的宇宙学现象都只能产生反质子或是正电子。如果发现反氦原子核最终得到证实,那么人们不得不开始考虑,是否就在宇宙的某处,和人们所熟悉的由物质构成的世界类似,还存在着一个由反物质主导的世界,在那个世界里又会偶尔有极少部分的反物质粒子逃离,经过长途跋涉来到太阳系,最终被阿尔法磁谱仪所捕获。

根据标准宇宙学模型,在最初的宇宙大爆发过程中产生了等量的物质与反物质,这两种物质一旦相遇就会互相湮灭,转化为能量。但是随着宇宙范围的扩大,这两种物质逐渐分离,不再发生湮灭。问题在于,宇宙何以演变为现在人们所感知的,由物质主宰的宇宙?反物质都去哪了?有一种理论认为,早期的宇宙更倾向于物质,因此更多的物质留存了下来,也有可能反物质逐渐转化为物质,逐渐演变成现在的宇宙,但是此中的细节并不清楚。也始终有一种观点认为,在宇宙的某处,必定还聚集着大量的反物质。

如果在宇宙的某处,同样存在着由反物质所主宰的世界,那么物质世界与暗物质世界迟早会相遇,在这两种物质相遇的界面,就必定会产生出大量的、剧烈的伽马射线。人类至今为止还没有观测到这种射线的存在。因此,斯坦福大学的物理学家罗杰·布兰福德(Roger Blandford)认为,几乎没有可能在宇宙中发现全部由反物质构成的星系。但是反氦原子核的存在一旦得到确认,必将使全世界的物理学家都开始反思宇宙中是否存在某处大量反物质的聚集地。

丁肇中以一贯谨慎的态度对待AMS-02发现的这几个反氦原子核信号。他首先需要查明这并不是来自于机器错误,例如因为大量粒子进入探测器引起机器的误判。或许最终时间会给出答案:AMS-02至少还会在国际空间站工作至2024年。如果宇宙中确实存在反氦原子核,那么在剩下的几年时间里,阿尔法磁谱仪必定还会做出更多的发现。

这样一个耗资巨大、耗时又长的太空探测项目,在多年的探测过程中并没有太多惊人的发现,越来越多的科学家都逐渐对它失去兴趣,认为这可能是一个失败的项目。但丁肇中多年来一直坚持这个计划,在获得值得注意的线索时,他又以一贯的谨慎态度不轻易下定论。人类科学有时正是在不断的坚持之下,以一种令人意想不到的方式,在人们意想不到的领域取得突破。

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