反物质粒子正在撞击地球，科学家也不知道为什么

伽马射线观测站在13，500英尺的高度探测到来自墨西哥皮科-德-奥里萨巴国家公园的宇宙射线，背景中隐约可见塞拉尼-格拉山。(图片来源:HAWC)

许多反物质粒子流向地球，但科学家无法解释这一现象。墨西哥中部山峰天文台的新研究排除了一个可能的来源，从而加深了这个谜团。

地球不断被来自各种宇宙来源的高能粒子冲走。物理学家维克多·赫斯在1912年用气球首次证明了宇宙射线的地外性质。从那以后，科学家们已经确定并考虑了各种来源类型，但是这些专家仍然不知道这些粒子的一些来源。

11月17日的《科学》杂志详细报道了最新的发现。它包括正电子，是电子的反物质补充。洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究合作者周豪说，高能粒子通常是穿过银河系的质子，当它们与太空中的尘埃和气体相互作用时，会产生正电子和电子对。2008年，PAMELA太空探测器测量到大量的地球正电子。周说，这是他们预期的10倍。

经过多年的努力，密歇根理工大学发表了一份关于新研究的声明，结合了两种不同的解释。一种假说认为这些粒子来自附近的脉冲星，它们是快速旋转的中子星，可以像电子和正电子粒子一样以惊人的速度旋转。另一组为过剩的正电子提供了更奇特的来源，这可能涉及暗物质，一种未知但普遍存在的实体，占宇宙质量的80%。

像带电荷的正电子这样的粒子在地球上很难被探测到，因为它们会被地球磁场偏转。但是科学家有一个解决方案。这些粒子还将与宇宙微波背景辐射相互作用，后者是宇宙诞生时留下的低能光子流。周说:“高能电子或正电子会反冲那些低能光子，所以这些光子变成高能伽马射线。这些不带电荷的伽马射线可以穿过磁场到达地球表面。”

周的团队对附近两颗脉冲星(葛明加和它的同伴B0656+14)的伽马射线进行了详细的测量。这些伽马射线离地球的年龄和距离也许可以解释那些额外的正电子。为此，科学家利用位于墨西哥城以东约4小时的HAWC伽马射线天文台完成了这项研究。HAWC由300多个超纯水箱组成。当伽马射线进入大气层时，它们会产生一系列高能粒子。当这种粒子通过HAWC的水箱时，它会发出闪烁的蓝光，科学家可以利用这种蓝光来确定原始宇宙射线的能量和来源。

马里兰大学的研究人员也为这项工作做出了贡献。来自HAWC的数据显示，粒子流出脉冲星的速度太慢，无法解释太多的正电子。周说，为了准时到达这里，粒子必须在脉冲星形成之前离开。

周的同事很快指出了一个重要问题。“我们的测量不能解决暗物质的问题，但是任何试图用脉冲星来解释过剩的新理论都需要与新数据相匹配，”马里兰大学物理学家大卫·古德曼，HAWC的首席研究员和美国发言人在一份声明中说。

通过观察星系的旋转，科学家已经确定宇宙包含的物质比我们能观察到的更多。他们称这种神秘的额外物质为暗物质。除非从远处看到暗物质的引力影响，否则没有人能直接探测到它。然而，一个流行的材料模型显示，涉及弱相互作用的大质量粒子，即具有弱相互作用的重粒子，只能通过重力与常规材料相互作用。周说，如果这些粒子以某种方式衰变或湮灭，他们可以想象下一代的电子和正电子对。

周说，其他天体物理过程也应该考虑，如超新星遗迹和微型类星体。物质向黑洞螺旋运动时形成的极其明亮的物体会产生正电子。然而，宇宙微波背景辐射下粒子相互作用的初始模型是不准确的。“要证明暗物质的发现，我们还有很长的路要走，”周说。"我们必须排除所有这些天体物理过程."

周的团队计划在未来的研究中利用非常广阔的视野来缩小这些选择。

蝌蚪工作人员从现场科学，翻译李同信编译，转载必须授权。