在國(guó)際空間站上守望太空的阿爾法磁譜儀(AMS)，“上崗”一年多來(lái)讓物理學(xué)家忙個(gè)不停。2月20日，該項(xiàng)目的提出者和首席科學(xué)家丁肇中透露，AMS首批數(shù)據(jù)的分析報(bào)告將在幾周內(nèi)發(fā)表，很可能將是暗物質(zhì)研究的階段性突破。

繼去年宣布發(fā)現(xiàn)“疑似上帝粒子”之后，暗物質(zhì)正成為物理學(xué)界著力攻打的前沿目標(biāo)，相關(guān)消息和猜想不時(shí)見(jiàn)諸媒體。那么，暗物質(zhì)究竟有多“暗”，物理學(xué)家又是如何計(jì)劃用科學(xué)之光去照“亮”它呢?

20世紀(jì)30年代，瑞士天文學(xué)家弗里茲·茨威基(Fritz Zwicky)研究了距離我們約兩億光年的COMA星系團(tuán)，他先測(cè)量了星系團(tuán)中各個(gè)星系的亮度，通過(guò)已知的亮度和質(zhì)量的關(guān)系，得出了可以看見(jiàn)的星系團(tuán)質(zhì)量。接下來(lái)，他又測(cè)量了各個(gè)星系的公轉(zhuǎn)速度以及它們到星系團(tuán)中心的距離，通過(guò)萬(wàn)有引力定律計(jì)算出了星系團(tuán)的總質(zhì)量。他發(fā)表了一個(gè)驚人結(jié)果：在星系團(tuán)中，看得見(jiàn)的星系只占總質(zhì)量的1/300以下，而99%以上的質(zhì)量是看不見(jiàn)的，只能通過(guò)引力“感覺(jué)”到它們的存在。

為什么要尋找暗物質(zhì)?

在宇宙學(xué)中，暗物質(zhì)(dark matter)又稱(chēng)為暗質(zhì)，是指無(wú)法通過(guò)電磁波的觀測(cè)進(jìn)行研究，也就是不與電磁力產(chǎn)生作用的物質(zhì)。暗物質(zhì)不發(fā)光，也不反射光，無(wú)論用什么波段的光，都找不到它們。

然而科學(xué)家卻相信，暗物質(zhì)是確實(shí)存在的。這是因?yàn)橘|(zhì)量泄露了它們的蛛絲馬跡。

1933年，瑞士天文學(xué)家茲威基通過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，按照引力定律，所觀察的星系“質(zhì)量不夠”，不足以使其凝聚在一起。此后幾十年中科學(xué)家對(duì)宇宙膨脹速度的測(cè)量、星系形成過(guò)程的模擬，也表明宇宙的總質(zhì)量應(yīng)該遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于已知物質(zhì)的總質(zhì)量。

這些現(xiàn)象迫使天文學(xué)家和物理學(xué)家提出，宇宙中存在“暗物質(zhì)”和“暗能量”，這些暗物質(zhì)并不是由現(xiàn)有物理標(biāo)準(zhǔn)模型中的粒子所構(gòu)成的。暗物質(zhì)只參與引力作用，讓恒星、星系和宇宙能成為今天我們所能看到的樣子;而不參與電磁力作用，因此使用傳統(tǒng)的手段無(wú)法探測(cè)。

目前的測(cè)算表明，組成人們已知物質(zhì)的質(zhì)子、中子、電子等粒子，只占宇宙的4%—5%，而暗物質(zhì)則占了宇宙的23%，還有72%—73%是一種導(dǎo)致宇宙加速膨脹的暗能量。也就是說(shuō)，宇宙中絕大部分的物質(zhì)和能量，對(duì)今天的科學(xué)來(lái)說(shuō)都屬于未知。如果能找到暗物質(zhì)，將使人類(lèi)對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)向前邁進(jìn)一大步，了解到更加深遠(yuǎn)的物質(zhì)世界。

AMS如何尋找暗物質(zhì)?

為了尋找暗物質(zhì)，被稱(chēng)為“史上最昂貴的太空實(shí)驗(yàn)”的阿爾法磁譜儀(AMS)應(yīng)運(yùn)而生。該項(xiàng)目由美國(guó)華裔物理學(xué)家、諾獎(jiǎng)得主丁肇中在1990年代中期提出，造價(jià)20多億美元，重達(dá)7噸，于2015年5月由即將退役的“奮進(jìn)”號(hào)航天飛機(jī)發(fā)射升空，被放置在國(guó)際空間站上。

AMS是一個(gè)國(guó)際項(xiàng)目，核心部件就是由中國(guó)科學(xué)家研發(fā)制造的永磁體及反符合計(jì)數(shù)器。永磁體會(huì)使帶電粒子的運(yùn)行軌道發(fā)生拐彎，通過(guò)測(cè)量彎曲程度，配合其他儀器測(cè)出的粒子質(zhì)量、動(dòng)量，就可以知道捕獲了何種粒子。AMS的一個(gè)重要任務(wù)，就是驗(yàn)證暗物質(zhì)到底由什么粒子組成。

AMS在最初18個(gè)月中，采集了250億次粒子事件。2月20日，擔(dān)任項(xiàng)目首席科學(xué)家的丁肇中透露，AMS首批數(shù)據(jù)的分析報(bào)告將在幾周內(nèi)發(fā)表，其成果有望幫助理解暗物質(zhì)的構(gòu)成。

根據(jù)目前比較主流的猜想，暗物質(zhì)是由弱相互作用質(zhì)量子(WIMP)組成的，而WIMP碰撞湮滅，會(huì)放射出日常很難見(jiàn)到的正電子。因此，如能測(cè)量到高比例的正電子，將是對(duì)WIMP暗物質(zhì)理論的一種支持。

據(jù)參與AMS項(xiàng)目的中科院高能物理所研究員陳國(guó)明介紹，AMS首批數(shù)據(jù)的分析顯示，正電子和負(fù)電子的比例曲線在30?40GeV(注：eV為電子伏特，是粒子能量單位)區(qū)間開(kāi)始向上，一直到300GeV。這是顯示正電子比例較高的一個(gè)指證。

AMS的數(shù)據(jù)由全球6個(gè)小組分析，并互相“挑錯(cuò)”以達(dá)成一致。陳國(guó)明表示，中國(guó)小組的分析成果成為論文的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。據(jù)介紹，正電子動(dòng)量很高時(shí)，正負(fù)電荷的確定變得不容易;另一方面，正電子和質(zhì)子由于帶電荷相同，也容易混淆。中科院高能所已就此研究了數(shù)年，數(shù)據(jù)分析相當(dāng)精確。共2頁(yè)，當(dāng)前第1頁(yè)12