由丁肇中主持的AMS（阿爾法磁譜儀）項目已發現超過40萬個正電子，這些正電子有可能來自於脈衝星或者人類一直尋找的暗物質。

 

人类对暗物质的理解和检测实现新进展。日内瓦时间4月3日下午5点（北京时间4月4日零点），诺贝尔物理奖获得者丁肇中教授在日内瓦欧洲核子中心，首次公布其领导的阿尔法磁谱仪（AMS）项目18年之后的第一个实验结果——已发现的40万个正电子可能来自一个共同之源，即脉冲星或人们一直寻找的暗物质。

　　目前，寻找暗物质粒子、研究暗能量的物理本质、探索宇宙起源及演化的奥秘、结合粒子物理和宇宙学的研究已成为21世纪天文学和物理学发展的一个重要趋势。诺贝尔物理学奖获得者李政道教授曾多次指出：“暗物质是笼罩20世纪末和21世纪初现代物理学的最大乌云，它将预示着物理学的又一次革命。”

　　暗物质不发光，也就是不发出电磁波，所以看不见，但与通常物质一样，暗物质有引力作用。这个引力效应让天文学家在宇宙空间发现暗物质占宇宙的23%，另外73%是暗能量。而组成我们身边这个世界的常规物质只占4%。虽然人们早已经猜测到暗物质可能存在，但一直以来从未明确探测到暗物质粒子，因此，还不能确定暗物质的性质。

　　丁肇中团队使用的阿尔法磁谱仪（AMS），是安置于太空中的精密粒子探测装置，是目前灵敏度最高，也是最复杂、最昂贵的一台暗物质探测设备，代表了当今科学实验的最高技术手段，由 16个国家和地区的600余名科学家历时近18年完成，耗资21亿美元，实验过程可能持续15至20年。

　　在此之前，在不同的实验上都看到了一些“反常”迹象，人们怀疑这些就是暗物质的信号。但是，由于实验的灵敏度还不够，这些迹象都还无法确认为暗物质的信号。

　　2011年5月16日，AMS搭乘美国“奋进”号航天飞机的最后一个航班，送入太空，在未来20年内，这个实验是国际空间站上唯一的大型科学实验。丁肇中曾说：“这将使我们能够直至宇宙的边缘寻找反物质宇宙的存在。”

　　在太空运行的第一年，AMS已经收集了160亿个宇宙线数据，远远超过了上个世纪收集到的宇宙射线数据的总和。

　　2011年5月19日放置至今，AMS已观测311亿个宇宙射线，其能量高达数万亿电子伏特。宇宙射线信号传送到地面，由AMS实验项目组分析。

　　从2011年5月19日至2012年12月10日的前18个月的太空实际探测运转中，AMS分析了250亿个初级宇宙射线。其中，科学家们确认了680万个电子及其反粒子——正电子的事例。

　　由AMS探测的超过40万个正电子，是当前最多的在太空中直接观测、分析的高能量反物质粒子。

　　丁肇中团队的第一个实验结果认为，高能的正电子不是来自空间某个特定的方向，这些特性表明了新物理现象的论据。这次研究成果在丁肇中看来是朝着人类认识暗物质方向前进的重要一步，但不是最终答案。“我们需要更多的统计量来研究，目前的结果是基于预期收集总数据量的约十分之一的数据。”

　　由于AMS的精确度及可用之高的统计量，AMS磁谱仪被科学家认为有能力探索新物理。

　　曾与丁肇中一起工作的山东大学泰山学者特聘教授、粒子物理学家王萌认为，这是粒子物理和高能物理界期待很久的实验结果。他相信，随着AMS最终发布的数据，将能最终澄清能谱是来源于暗物质粒子的碰撞还是银河系的脉冲星。

　　在AMS项目中，热系统是最关键的部分，因为AMS探测器的温度波动必须保持在1摄氏度之内，然而由于地球和太阳的相对运动以及地球的自转等因素，AMS的温度环境每天都在发生改变。

相关报道：科学家用阿尔法磁谱仪发现宇宙中“暗物质”存在的线索

   研究人员说他们接近发现谜一样被称为“暗物质”（dark matter）的无形物质。据认为在已知的宇宙中存在大量暗物质。

　　研究人员说，国际太空站上安装的一个设备搜集的数据同暗物质存在的理论相符合，但是还需要一段时间才能够得出确切的结论。

　　这台在太空站上的仪器名为阿尔法磁谱仪，又被称为反物质太空磁谱仪。这种仪器被用来在宇宙中寻找高能量粒子。

　　阿尔法磁谱仪搜集到的数据可能是首次显示暗物质存在的证据。该仪器并不能直接对暗物质定位，但是能够在宇宙中寻找暗物质粒子相撞后产生的残碎物。

　　暗物质相撞被称为“毁灭”，这种现象现在可能被阿尔法磁谱仪搜集的数据证明。

　　建造这台仪器耗资20亿美元。2011年这台仪器被送进太空。科学家强调，要准确地描述暗物质这种组成宇宙的粒子，仍然需要做很多研究。

　　佩鲁贾大学的物理教授AMS项目的发言人罗伯托·巴蒂斯顿对BBC说，可能还需要很多年才能有确切结果。

　　宇宙的大部分由这种有质量却不可见的暗物质组成。虽然用望远镜直接看不到暗物质，但是天文学家根据重力产生的效应得知在已经发现的宇宙中有大量暗物质的存在。

　　对暗物质的研究是现代宇宙学和粒子物理的重要课题。宇宙中的星系如果没有暗物质的存在就不能按照现有的方式运转，也不能保持现有的形状。

丁肇中对新成果“保持冷静”（吴陈 王昭）

诺贝尔奖得主、美籍华人物理学家丁肇中3日公布了其主持的阿尔法磁谱仪项目（AMS）首批研究成果。他当天对新华社记者表示，尽管这一成果具有突破性，但仍应保持冷静。

　　暗物质和暗能量是现代天文学和物理学最大的谜团之一，它们是为了解决宇宙学观测与理论上的矛盾而提出来的。AMS项目的首要目的就是寻找宇宙中的暗物质及其起源。

　　丁肇中3日晚间在位于瑞、法边境的欧洲核子研究中心阿尔法磁谱仪项目办公室告诉记者，目前AMS收集到40万个 正电子，远远超出人们的想象。此前包括美国费米望远镜等项目都曾观察到过量正电子现象，但数据误差很大，而AMS的误差只有1%，“相当于肉眼和精密显微 镜的区别。”

　　刊登在新一期《物理评论快报》的研究成果显示，在5亿至100亿电子伏特区间内，正电子占正电子和电子总和的比 例随能量的增加而减小；在100亿到2500亿电子伏特的区间内，比例递增；到2500亿电子伏特之后，比例曲线基本变平。正电子比例能谱没有随时间改 变，同时高能正电子不是来自空间某个特定的方向。

　　丁肇中解释说，这些成果表明了：正电子比例随着能量增加继续上升；比例上升是很平衡的，没有出现峰值；正电子来源没有特定方向，“这三点都支持正电子来源于暗物质，可是没有完全的证据。”

　　他指出，要确认正电子是由暗物质粒子碰撞、湮灭产生的，还需观测到正电子比例上升到峰值后是否有骤降。如果观察到骤降，说明来自暗物质对撞；如缓慢下降，则可能来自脉冲星。

　　丁肇中说，作为AMS这样一个大型物理实验项目的负责人，必须保持冷静，因此对正电子的来源持开放态度，“最重要的是把数据准确地拿出来，不要有误差，”他说，“千万不能有偏见。”

　　丁肇中说，可能还要花一段时间才能最终确定这些正电子“到底是怎么来的”。他说，目前收集到的数据是AMS预期收集数据的10%左右，这个项目还是“刚刚开始”，还有很多未知等待科学家们去探测。

　　阿尔法磁谱仪探索暗物质问与答（钱铮）

　　诺贝尔奖得主、美籍华人物理学家丁肇中及其团队3日公布了其主持的阿尔法磁谱仪项目的首批研究成果，实验观察到 宇宙射线流中正电子存在的比率符合关于暗物质存在的理论预测。虽然目前尚没有充分证据排除其他可能性，但这批成果向最终找到暗物质存在的可靠证据又迈进了 一步。

　　那么，究竟什么是暗物质，科学家们为何孜孜不倦地追寻暗物质的足迹，怎样才能捕捉到这种看不见的物质，阿尔法磁谱仪项目又是怎样的一个科学项目呢？

　　问题之一：什么是暗物质？

　　答：暗物质是宇宙中看不见的物质。现在我们看到的天体，要么发光，如太阳，要么反光，如月亮，但有迹象表明，宇宙中还存在大量人们看不见的物质。它们不发出可见光或其他电磁波，用天文望远镜观测不到。但它们能够产生万有引力，对可见的物质产生作用。

　　迄今的研究和分析表明，暗物质在宇宙中所占的份额远远超过目前人类可以看到的物质。宇宙中最重要的成分是暗物质和暗能量，暗物质占宇宙25%，暗能量占70%，我们通常所观测到的普通物质只占宇宙质量的5%。

　　问题之二：探测暗物质有何意义？

　　答：暗物质被认为是宇宙研究中最具挑战性的课题。目前，暗物质的存在已经被人们普遍接受。人们认为暗物质促成了 宇宙结构的形成，如果没有暗物质就不会形成星系、恒星和行星，更谈不上今天的人类了。暗物质的存在是通过天文观测推测出来的，然而目前被广泛认可的粒子物 理学标准模型预言的62种基本粒子中不包含能解释暗物质的基本粒子，因此，探测和研究暗物质很可能导致物理学界新的革命。

　　问题之三：如何探测暗物质？

　　答：暗物质的探测方法主要分为直接探测法和间接探测法。所谓直接探测法是指直接探测暗物质粒子和原子核碰撞所产 生的光学、声学、电子学信号。由于发生碰撞的概率很小，产生的信号也很微弱，通常要把探测装置安装在地下深处。暗物质的间接探测法主要是观测暗物质粒子衰 变或互相作用后产生的正电子、反质子、中微子等稳定粒子。由于地球大气的影响，在地面上无法精确测定粒子的能谱，这类实验必须要在空间进行。

　　阿尔法磁谱仪项目实际上是一个大型粒子物理实验，首要目的是寻找宇宙中的暗物质及其起源。暗物质碰撞会产生额外的正电子，这些正电子的特征会被阿尔法磁谱仪精确地测量到。

　　问题之四：阿尔法磁谱仪是如何制造的？

　　答：阿尔法磁谱仪主结构的主体是一个外径1.3米、内径1.15米、高0.8米的空心高强度铝制圆柱体。永磁体呈条状插入主结构，其磁场强度高达1400高斯。主结构由中国航天科技一院设计，磁体则由中科院电工所制造，采用的是新型高磁能积钕铁硼材料。

　　“阿尔法磁谱仪1”于1998年6月随美国“发现”号航天飞机升空开始科学探索，但最终没能发现反物质和暗物 质。此后，科学家开始研制“阿尔法磁谱仪2”。他们曾尝试用超导磁体代替永磁体。尽管这种方法可以产生更强的磁场，但超导磁体需要液氦冷却，太空中无法补 充液氦，这样磁谱仪寿命只有3年。而使用永磁体的磁谱仪的使用寿命长达18年至20年，所以专家们决定沿用永磁体。此外，“阿尔法磁谱仪2”在“阿尔法磁 谱仪1”的基础上增加了若干新的子探测器。

　　问题之五：阿尔法磁谱仪是如何工作的？

　　答：阿尔法磁谱仪的主要本领是能够探测到太空中“流窜”的粒子。这一本领基于其强大而特殊的磁场。带电粒子进入 磁场后轨迹会发生变化，不同带电粒子的轨迹变化也不同，而不带电的粒子的轨迹则不会发生变化，因而观测粒子进入这一磁场后轨迹是否变化，变化程度有什么不 同，就可以推知这是何种粒子。与天文望远镜观测物质发出的可见光和电磁波不同，磁谱仪直接观测粒子本身。因而，磁谱仪能够发现天文望远镜无法发现的暗物质 等。