http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2014-09-22
阿尔法磁谱仪最新成果显示暗物质可能存在
新华社日内瓦9月18日电 （记者张淼 施建国）诺贝尔奖得主、美籍华人物理学家丁肇中18日公布阿尔法磁谱仪项目最新研究成果，进一步显示宇宙射线中过量的正电子可能来自暗物质。
2011年升空的阿尔法磁谱仪由国际空间站搭载，任务是寻找暗物质并探寻其起源。根据现有理论，宇宙中的暗物质远远多于普通物质，暗物质碰撞会产生过量的正电子，阿尔法磁谱仪可对宇宙射线中的正电子进行精密观测。
根据研究小组在最新一期美国《物理评论快报》上发布的数据，阿尔法磁谱仪观察到的410亿个宇宙射线事件中，约有1000万个是电子或正电子。从8吉电子伏特（1吉等于10亿）的能量开始，正电子占电子与正电子总数的比例快速增加，在275吉电子伏特左右停止增长。比例上升的过程较为均衡，没有明显峰值。此外，正电子似乎来源于宇宙空间的各个方向，而不是某个特定方向。
研究人员说，观测到的正电子分布特征与暗物质理论的某个模型一致，该模型认为暗物质由一种称为“中轻微子”的粒子组成。不过，这些过量的正电子到底是来源于暗物质，还是来源于脉冲星等天文现象，还需要进一步分析确认。
项目首席科学家丁肇中教授18日晚对新华社记者说，暗物质碰撞产生过量正电子有6个特征，开始点、上升速率、最高点等5个特征都已被阿尔法磁谱仪测量到，最后一个特征就是测量正电子产生率会不会突然下降。
“怎么样下降，慢慢地下降还是很快地下降？很快地下降就一定是暗物质”，丁肇中说。
研究小组在同一期杂志上发表的另一篇论文认为，宇宙射线中电子与正电子的通量（即单位时间里通过单位面积的粒子数量）分布显著不同，其特征也显示，过量的高能正电子有可能来自暗物质碰撞。
研究结果显示，电子通量与正电子通量均无法由单一不变的谱指数描述（通量随能量的变化由谱指数决定，通常是正比于能量的谱指数次方），特别是在20吉到200吉电子伏特间，正电子通量随能量变化的速率高于电子通量，这可被视为正电子比例增加来源于过量高能正电子而非高能电子损失的重要证明。
研究人员认为，对正电子占电子与正电子总数的比例、电子与正电子各自通量以及总通量的精密测量互为补充，或帮助科学界更为深入地了解高能宇宙射线的来源及暗物质的存在。
阿尔法磁谱仪项目由来自全球15个国家和地区的56个科研机构参与，首要目的是寻找宇宙中的暗物质及其起源。2011年5月，美国“奋进”号航天飞机将太空粒子探测器“阿尔法磁谱仪2”送至国际空间站。
右图 9月18日，诺贝尔奖得主、美籍华人物理学家丁肇中站在其位于瑞士日内瓦的实验室内的国际空间站模型前。
新华社记者 施建国摄
[科技网-科技日报]
是不是暗物质要看最后一个结果——丁肇中解读阿尔法磁谱仪新发现
新华社日内瓦9月18日电 （记者张淼 王昭）全球关注的阿尔法磁谱仪项目18日公布最新研究成果，进一步显示暗物质可能存在。对此该项目首席科学家、著名华人物理学家丁肇中接受新华社记者采访时慎重表示：“是不是暗物质？要看最后一个结果。”
目前，科学界通过天文观测结果推测暗物质可能存在，但在半个世纪以来的宇宙射线实验研究中，还未发现暗物质存在的直接证据。根据现有理论，暗物质碰撞会产生过量的正电子，因此对正电子特征的精确测量对了解暗物质十分重要。
丁肇中教授18日晚在位于瑞士和法国边境的欧洲核子研究中心阿尔法磁谱仪控制中心对记者表示，暗物质碰撞产生过量正电子有6个特征，其中开始点、上升速率、最高点等5个特征都已被阿尔法磁谱仪测量到，最后1个特征就是测量正电子产生率会不会突然下降。
根据研究小组当日在美国《物理评论快报》上发布的结果，已发现的宇宙射线中过量正电子的5个特征分别为：正电子比例上升是从8吉电子伏特（1吉等于10亿）的能量开始；在速率方面，正电子占电子与正电子总数的比例快速增加；在275吉电子伏特左右停止增长；比例上升的过程较为均衡，没有明显的峰值；还有正电子似乎来源于宇宙空间的各个方向，而不是某个特定方向。
丁肇中曾因发现J粒子获得1976年诺贝尔物理学奖。他在接受采访时表示，新发现是他自1963年以来最重要的研究成果，“根据现在的结果，我们所找的东西一定是新的东西，从来没有见过的东西，是不是暗物质，要看最后一个结果”。
阿尔法磁谱仪项目研究团队认为，要证实过量正电子是由暗物质碰撞产生，6个特征缺一不可。最后一个特征就是正电子比例上升到最高点后是否有骤降，如果观察到骤降，说明过量正电子来自暗物质对撞；如缓慢下降，则可能来自脉冲星等天体。因此，阿尔法磁谱仪正在进一步测量相关数据。
“5个特征都被已经测量到了，最后1个特征就是产生率会不会突然下降，这个要花很多的时间，”丁肇中说，“很快下降一定是暗物质跟暗物质对撞产生正电子，因为暗物质能量有限，到一定能量以后就不可能再产生正电子，所以会突然下降。”
由于暗物质不与电磁波等产生作用，目前科学家只能通过其与物质的相互作用来间接“观察”暗物质。丁肇中解释说，在搜寻暗物质的道路上，主要有3种“目的相同、手段不同”的方法：利用粒子对撞产生暗物质观察其衰变的产生实验，测量暗物质散射至液体或固体的散射实验，以及基于暗物质碰撞产生正电子与反质子的原理在太空进行的湮灭实验。
作为湮灭实验的代表，阿尔法磁谱仪可在太空中对电子、正电子以及电子与正电子总和进行许多独立的测量。“阿尔法磁谱仪2”自2011年5月被送至国际空间站后已分析了410亿个初级宇宙射线事件，其中电子与正电子数量为1090万。
对于在与其他实验的竞争中能否跑在第一，首先发现暗物质存在证据的问题，丁肇中表示由于分析数据非常困难，所花费时间无法推测，但他“希望不是第二个”。
[科技网-科技日报]
宇宙射线研究表明正电子或来自暗物质碰撞
参考消息网9月22日报道 美国趣味科学网站9月19日报道，漂浮在地表上空400公里处的离子探测器对410亿个宇宙射线粒子进行了分析，使我们能够进一步探究暗物质——占宇宙组成27%的神秘不可见的物质。
去年，国际空间站的阿尔法磁谱仪探测器已经收集到了暗物质存在的证据。然而，最新的分析结果则是迄今为止对宇宙射线粒子进行的最为精确的测量。麻省理工学院物理学教授、阿尔法磁谱仪项目发言人丁肇中，18日在欧洲核研究组织位于日内瓦的实验室中进行网络直播时称，分析数据不仅比以前多出一半，而且还进一步探究了宇宙射线中粒子的来源。
物理学家创立的学说用不可见的、迄今尚未检测到的暗物质的存在来解释为何星系和天体没有瓦解。所有的物质都会产生重力，然而根据测算，可见物的重力并不足以令宇宙保持聚合状态。物理学家估计，暗物质必须是可见物质的五倍才能保证宇宙的存在。
物理学家并不清楚暗物质的成分，也不清楚如何直接探测到它。根据时下流行的一个理论，暗物质是由大质量弱相互作用粒子(WIMP)组成。物理学家猜测，当两个大质量弱相互作用粒子碰撞时，会产生湮灭，从而创造出一个电子以及它的反物质对等物正电子。正电子质量等同于电子，但带有正电荷。
因而我们需要阿尔法磁谱仪以及宇宙射线数据才能进行分析。大部分宇宙射线是由原子的组成部分形成，包括不带电子的质子和原子核，以及高能正电子和电子。然而事实是，正电子大量过剩，因而物理学家认为宇宙射线并非正电子的唯一来源，正电子也可能来自暗物质粒子的碰撞。
基于已有的空间粒子碰撞的天体物理学模型，相对于电子的正电子的数量应随着宇宙射线能量级别的提高而减少。然而，阿尔法磁谱仪收集的最新数据显示，实际上在宇宙射线能量级别达到275千兆电子伏之前，正电子的数量随着宇宙射线能量级别的提高而增加。只有能量级别在275千兆电子伏以上时，正电子的数量才开始减少。
可以确定的一点是，正电子的减少速度比电子慢得多。对这一差异的一个解释是正电子可通过暗物质碰撞来获得补充。
为了证实暗物质的存在，物理学家还需要直接捕捉到这一粒子。
[参考消息网]
暗物质“存在说”趋明朗
南方日报讯 (记者/雷雨 实习生/兰忠伟 通讯员/蔡珊珊)诺奖得主、麻省理工学院教授丁肇中领导的国际空间站阿尔法磁谱仪实验(下称AMS)取得最新进展。笔者19日从中山大学获悉，阿尔法磁谱仪实验最新成果9月18日发表在物理学顶级杂志之一的《物理评论快报》(Physical Review Letters)上，该结果是基于AMS在国际空间站上量测并分析的前410亿事例取得，使人类对高能宇宙射线的本质有更深入的了解，并使暗物质存在的争议趋于明朗。
最新成果的精度比同类实验大大提高
19日上午，中山大学举行“AMS硅微条探测器热控系统”成果发布会。笔者获悉，此次AMS发表的成果主要归纳为三大发现：首先是正电子分率(正电子占电子与正电子总和的比例)相比上次(2013年4月发表的结果)所测得的结果在精度上有所提升，在空间各向同性的测量精度方面也比上次有所提高，但没有观测到正电子分率的空间各向异性分布。其次，在不同能标下正电子的通量(单位时间通过单位面积的粒子数)与电子的通量很不一样，这暗示存在着与大部分电子不一样的正电子源，而且这个正电子源并非来自空间某个方向，不过还需要更多的数据去确定这个源到底是什么。第三，AMS此次发表结果的精度比其他同类实验高很多，而且可以精确拟合或排除已有不同的宇宙线模型，使人类对宇宙线的认识更加深入。
中山大学AMS技术负责人何振辉教授介绍，通过对宇宙射线进行分析，获得了许多新发现，对暗物质的了解能够更加清晰，同时对宇宙线的认识程度也将有所提高。尽管此次发表的结果还不能直接证明暗物质的存在，但相比以往，此次获得的数据与暗物质碰撞湮灭产生正电子的模型预测特征更为符合。
阿尔法磁谱仪(AMS)是已有在太空中运行的最强有力、最精确和最灵敏的粒子谱仪。2011年5月16日，美国“奋进”号航天飞机最后一次任务是将“阿尔法磁谱仪2”送至国际空间站，其主要任务之一就是寻找宇宙中的暗物质。
据了解，在宇宙的构成中，人类已知的物质仅占4%左右，而暗物质几乎是已知物质的6倍，但科学家一直未找到它存在的证据。
近一个世纪以来，围绕暗物质到底是什么？如何产生？怎样才能观测？科学家们一直孜孜不倦地研究。有科学家甚至断言：谁能找到暗物质，谁就解决了21世纪最重大的物理问题，破解它的意义不亚于牛顿的地球引力论和爱因斯坦的相对论。诺奖得主、美籍科学家李政道教授多次指出，暗物质是笼罩20世纪和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。
已分析410亿宇宙射线事例与中大贡献密不可分
笔者从中大获悉，在太空中历经40多个月后，AMS已搜集540亿宇宙射线事例，目前已分析410亿事例，而AMS测量数据能取得这样高的精度，与中山大学的贡献密不可分。
据了解，AMS计划是国际空间站上唯一的大型科学实验，是人类第一次在太空中使用粒子物理精密探测仪器和技术的实验。AMS的物理目标包括搜寻反物质、暗物质、以及宇宙射线的起源。
2004年2月，中大原校长黄达人与丁肇中教授签署AMS合作协议，中山大学正式加入AMS国际合作“大家庭”。在AMS计划中，中大不仅负责研究制造任务，同时还将进行监控以及维护等工作。
中山大学参与AMS并负责AMS硅微条轨迹探测器热控系统(TTCS)的建造，并一直承担发射以来三年多的在轨运行监控和维护。而硅微条轨迹探测器是AMS中最复杂、最精确、也是最重要的探测器。据专家介绍，实际上在AMS的所有子探测器中，只有硅微条轨迹探测器才称得上磁谱仪，因为只有它能分辨电子与正电子；而TTCS为硅微条轨迹探测器的精确测量提供稳定的热环境，“因此，可以说没有TTCS，就没有这样高的测量精度”。
目前，中山大学有4位博士研究生参与AMS数据分析，其中包括未来要发表的反质子谱、氦谱等数据分析。此外，还有一位教工和研究生在AMS载荷运作中心参与在轨监控和维护任务。
据悉，AMS计划工作总部位于瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心，由芬兰、法国、德国、荷兰、中国等15个国家和地区共同参与建造，AMS计划主持人是麻省理工学院与CERN的丁肇中教授。
[南方日报]
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宇宙“通缉”暗物质
事实上，暗物质是科学界的重大课题，全球科学家长期以来一直在宇宙“通缉”暗物质。那么，究竟什么是暗物质，科学家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？
什么是暗物质？
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％。
探测暗物质有何意义？
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。
如何探测暗物质？
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。 （新华社记者 李雯 钱铮）
[科技网-科技日报]
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