丁肇中：AMS太空實驗結果顛覆人類對宇宙線認識

　　當地時間12月8日,北京時間12月9日凌晨兩點,諾貝爾物理獎獲得者、美籍華人科學家丁肇中教授主持的阿爾法磁譜儀(AMS)項目在歐洲核子中心(CERN)發布了五年太空實驗的結果,部分結果顯示:AMS通過準確測量鈹-硼流強比例,得到關于宇宙線在星系間傳播時間的信息,測得銀河系宇宙線的年齡大約是1200萬年,這是人類首次獲得宇宙線的相對準確年齡；“對1650萬電子和108萬正電子的測量顯示,電子流強與正電子流的強度不同,隨能量變化的行為也不一樣。”AMS的這一測量結果顛覆了以往實驗結果,刷新了科學家對宇宙線的認識；利用3億個質子事例,AMS將質子流強測量達到1%的精度,結果顯示,“質子流強不能被簡單地描述成單一的冪律譜,質子能譜指數隨能量變化。”這顛覆了人類之前對宇宙線的普遍認識。

　　9日凌晨,在接受科技日報記者采訪時,AMS熱系統總負責人、山東大學空間熱科學研究中心主任程林教授剛剛與遠在日內瓦的丁肇中教授通完話。“AMS測量的這些涵蓋多種宇宙線粒子的精確而獨特的數據,不是拓展了人類‘已知的邊界’,而是拓展了‘未知的邊界’,就好像我們在若干萬年之前,可能只知道有北京,但不知道有上海,但通過AMS的突破,我們不僅發現了上海,也發現了香港、新加坡……我們‘未知變已知’的領域擴大了。”程林說,“用一個并不十分恰當的比喻形容來形容這次AMS的突破,那就是如果說我們之前對宇宙線的認知是一只‘乒乓球’的范圍,現在已經擴展到了一只‘足球’的面積。”

　　據了解,宇宙線(即“宇宙射線”)是來自宇宙空間的高能粒子,是人類獲取太陽系外物質樣本的唯一渠道,被認為是傳遞“宇宙大事件”的信使和發現“宇宙加速器”的探針。丁肇中認為,組成人類已知物質的質子、中子、電子等粒子,只占宇宙的不到5%,而宇宙中95%以上的物質看不見、摸不著,因此稱之為暗物質(包括暗能量)。暗物質無法直接觀測,卻能干擾星體發出的光波或引力等,其存在能被明顯感受到。

　　為尋找暗物質而遠赴太空的AMS,每天不間斷地紀錄與采集數以億計的數據信息,以前所未有的精度探測了宇宙線中正電子流強,正電子比例,反質子-質子比,以及電子、正電子、質子,反質子、氦核以及其它核子的流強,試圖找到暗物質的“蛛絲馬跡”。

　　程林表示,“人類通過研究宇宙線來尋找暗物質,根據對電子、正電子和質子流強等的測量數據,建立了很多不同的物理模型。但AMS的突破在于,它以前所未有的精度探索宇宙線,由此形成一個全新的物理模型,就好像原先是‘X+Y=Z’,現在卻發現不是這樣,而是‘X+Y=W’。用丁肇中先生的話來說,就是AMS項目做了五年,得出了很多不一樣的結論,顛覆了我們對宇宙線的認識。”

　　據了解,丁肇中這次發布的太空實驗結果,包含著幾項大的突破:

　　通過對1650萬電子和108萬正電子的測量,AMS探測結果顯示電子流強與正電子流的強度不同,隨能量變化的行為也不一樣。在60GeV(GeV是能量單位,表示十億電子伏特。電子伏特代表一個電子在經過1個伏特的電場加速后所獲得的動能)以上,正電子、質子和反質子的流強顯示出一樣的隨剛度變化的行為,而電子的行為則完全不同。這一結果與以往實驗結果完全不同。

　　宇宙中的反質子非常稀少,是質子的萬分之一,因此,對反質子的精確測量要求異常苛刻。AMS用了5年的時間準確分辨出349000個反質子事例,其中探測到2200個能量高于1000億電子伏特的反質子事例。這不容易,因為宇宙線反質子的實驗數據是了解宇宙中反質子起源的基礎。與此同時,質子是宇宙線種最豐富的粒子。AMS利用3億個質子事例,將質子流強測量達到1%的精度。結果顯示,質子流強不能被簡單地描述成單一的冪律譜,質子能譜指數隨能量變化。這一結果改變了幾十年來對宇宙線的普遍認識。

　　同時,AMS通過7個子探測器鑒別了不同種類的基本粒子和原子核,包括氦、碳、氧等輕原子核和更重的原子核,一直到鐵核。AMS測量的碳-氦流強比和氧-碳流強比是與剛度無關的。而出乎意料的是,質子-氦流強比卻隨著剛度的增加而迅速但平滑的下降。AMS也測量了其他的次級宇宙線,包括硼和鈹。測量鈹-硼流強比例將能得到關于宇宙線在星系間傳播時間的信息。AMS通過這一測量測得銀河系宇宙線的年齡大約是1200萬年。同樣重要的是,硼-碳流強比沒有任何顯著的結構,與很多宇宙線模型的預言不同。

　　“AMS的這次突破,是不是意味著我們找到暗物質指日可待?”程林并不這樣認為,他表示,“尋找暗物質沒有時間表。目前可能只是剛剛開了個頭,可能以后還要花五年、十年,甚至更多時間才能有更大收獲,但科研的意義更在于探索的樂趣,以及這其中意想不到的發現。”