国际学术界对阿尔法磁谱仪首批研究成果反响不一

AMS是唯一在国际空间站进行的大规模测试。资料来源:美国航天局

我今年47岁，想在有生之年看到答案，但谁知道呢？

请暂时不要把“发现暗物质是什么”从你的宇宙学任务列表中划掉。

4月初，物理学家利用安装在国际空间站上的价值20亿美元的宇宙射线探测器——阿尔法磁谱仪(AMS)，证实了先前在太空中发现的额外反粒子。这些粒子可能是由暗物质发射的，暗物质是一种神秘的物质，它的引力使星系结合在一起。一旦得到证实，这一观察将有助于科学家确定暗物质的性质。然而，这些由6.7吨重的AMS测量的额外物质也可能是脉冲星或宇宙中其他天体的亚原子发射。判断哪个解释是正确的可能需要一些完全不同类型的测试，并且需要几年时间。

新的物理现象

"现在的问题是，我们下一步应该做什么？"“答案是这是一个非常好的问题，”美国帕克城宾夕法尼亚州立大学的宇宙射线物理学家斯特凡·库图说，他没有参与AMS的工作。

粒子物理学家、77岁的诺贝尔奖获得者丁肇中经过长时间的深思熟虑，终于在2011年5月16日将AMS带到了国际空间站。这个国际项目之前曾被判“死刑”，并奇迹般地复活了。正如丁肇中4月3日在位于瑞士日内瓦的欧洲核研究委员会(CERN)的欧洲粒子物理实验室报告的那样，他和AMS团队的347名成员从那时起已经测量了正电子比率以及电子和正电子的总数。根据标准天体物理学理论，“正电子分数”应该很小，并且会随着能量的增加而减少。丁肇中报告说，事实上，AMS发现正电子分数从100亿电子伏特能量的5%上升到35倍能量的15%。

这些额外的正电子可能来自暗物质。根据一些流行的理论，暗物质可能包含大质量的弱相互作用粒子，即弱相互作用粒子。当两个WIMP相互碰撞时，它们可以相互湮灭，从而产生电子-正电子对，从而使正电子部分接近50%。这种额外的正电子以前被记录过，但是物理学家们一直质疑这些结果的可靠性。库图和其他学者认为AMS数据证明了这些额外正电子的存在。

但是它们来自暗物质吗？这些正电子实际上可能是从旋转的中子星发出的，也就是所谓的脉冲星——前提是后者离地球足够近。丁肇中和ams的研究小组也承认了这种可能性。在《物理评论快报》发表的一篇论文中，他们没有提到暗物质是这些正电子的来源，而是指出这是一种“新的物理现象”。

还有另一种解释

丁肇中说AMS最终可以确定这些正电子的来源。如果这些正电子来自湮灭的暗物质粒子，它们的能量一定会受到这些粒子质量的限制。因此，在增加的能量超过一个明显的“分界点”后，正电子部分会突然下降。丁肇中指出，相比之下，如果这些额外的正电子来自天体物理源，它们应该随着能量的增加而逐渐消失。他说:“如果我们发现‘衰退’，那么这将是暗物质碰撞的一个非常有力的例子。”然而，AMS数据显示，在最高能量分析下，正电子部分到目前为止是稳定的，而额外的数据将揭示它是否正走向悬崖。

然而，并不是每个人都买了它。安阿伯密歇根大学的宇宙射线物理学家格雷戈里·塔尔勒认为，天体物理源也可以形成能量急剧减少的粒子。"给天体物理模型增加一个临界点很容易."他解释道，“你所要做的就是限制粒子加速区的大小。”塔尔勒说，即使医疗辅助队看到了一个临界点，观察结果仍然模糊不清。

英国伦敦国王学院的理论家约翰·埃利斯指出，事实上，AMS观测的细节本身可能会使解释暗物质中的这种额外正电子变得更加困难。AMS数据显示，正电子的过剩能量已经超过了以前探测到的水平。埃利斯说，这也意味着软骨头的重量至少为300吉伏或400吉伏，这改变了理论模型。他说:“AMS正处于绘制暗物质的两难境地。我不知道是否有足够的空间让它持续下去。”

另一种方式

具有讽刺意味的是，宇宙射线物理学家强调，凝视天空永远无法解释正电子过剩的现象。事实上，他们正在用一种不同的方式寻找答案，那就是使用粒子加速器，比如欧洲粒子物理研究所的大型强子对撞机(LHC)。根据一些模型，通过LHC生产软铁应该是可能的。库图和塔尔莱说，这种转变对于从AMS观测中获得暗物质的解释是必要的。

然而，解决这一切需要多长时间？也许不会花很长时间。丁肇中指出，医疗辅助系统必须在未来几年收集数据，以查明正电子部门是否出现“衰退”。LHC将一直关闭到2015年进行维修。“我47岁了，”库图说。“我想在有生之年看到答案，但谁知道呢？”

抛开不确定性不谈，这一结果标志着丁肇中的胜利，他坚持要将AMS送入轨道。这个想法最早是在1994年提出的，1998年探测器由美国宇航局的航天飞机驾驶。然而，当美国宇航局的“哥伦比亚”号航天飞机在2003年返回途中解体时，该计划似乎被无限期搁置，直到美国宇航局开始重新考虑航天飞机计划。然而，丁肇中国家航空和宇宙航行局毫不畏惧，最终在2008年获得国会授权发射AMS，美国成为参与这项研究的16个国家之一。在AMS的论文中，研究人员还谈到了九位现任和前任参*和众*对这项研究的支持。

暗物质和暗能量是现代天文学和物理学中最重要的谜团之一。它们是为了解决宇宙学观察和理论之间的矛盾而提出的。阿尔法磁谱仪的任务是观察暗物质湮灭时产生的正电子，从而找到暗物质存在的证据。

1937年，天文学家发现大型星系团中的星系具有极高的速度。然而，星系的速度远远超过由万有引力公式计算的结果，这表明除了已知的星系团核心物质对星系的引力之外，还有其他引力。天文学家进一步推断，除了人类已知的宇宙物质之外，还有另一种物质。

经过70多年的研究和分析，已经表明这种迄今为止未被观察到的物质，即“暗物质”，存在于宇宙中，它在宇宙中的份额远远超过目前人类可见的份额。宇宙中最重要的成分是暗物质和暗能量。暗物质占宇宙的25%，暗能量占70%。我们通常观察到的普通物质只占宇宙质量的5%。目前，暗物质只能通过与物质的相互作用来间接“观察”。(赵茜·Xi)

《中国科学新闻》(第三版国际，2013年4月16日)