丁肇中團隊探訪暗物質「寶藏王國」的入口

2020-12-18 鄧如山

國際空間站搭載的探測器接收了更多疑似暗物質的信號,從宇宙射線檢測的信號可能由神秘的暗物質發出,粒子探測器的更多發現為暗物質領域投射了新的光芒。諾獎得主丁肇中教授領導的一支大型國際科學家團隊,負責對磁譜儀探測器(AMS)的管理和運行,大約600多名科學家來自中國大陸、丹麥、芬蘭、法國、德國、義大利、韓國、墨西哥、荷蘭、葡萄牙、西班牙、瑞士、中國臺灣和美國等國家。自從AMS實驗在19年前開始運行,科學團隊第二次公布了實驗成果。在歐洲原子能中心(CERN)進行了AMS探測器的組裝,在歐洲航天局位於荷蘭的歐洲空間研究與技術中心實施了探測器的調試,2011年5月16日,美國的奮進號太空梭將AMS探測器送上了國際空間站(ISS),AMS具有強大的追蹤太空粒子的功能,它們包括了質子、電子和反物質的正電子等,AMS具有前所未有的精確性特點,科學家通過AMS數據繪製了各類宇宙射線粒子流量變動的曲線圖。

近日,阿爾法磁譜儀(AMS)國際科學合作團隊在日內瓦公布了最新的成果,他們分析了搭載在國際空間站的磁譜儀接收的410億個粒子的數據,科學團隊在歐洲原子能中心(CERN)舉辦的學術研討會上發布了觀測和數據分析的成果,此外,丁肇中教授授權中國的一些合作大學發布了團隊的成果。最新一期的《物理學評論通訊》雜誌刊載了科學團隊的研究論文。科學家在宇宙射線之中檢測到了過量的正電子,為檢驗暗物質的存在提出了新的洞見。宇宙射線在宇宙空間通常呈現離子束的形態,離子束中的粒子主要由質子和電子構成,其中包括在空間馳騁的其它類型的粒子,比如:正電子。正電子是電子的反物質態同伴,簡而言之,電子和正電子質量相同、電荷相反。一些正電子來源於宇宙射線的碰撞,然而,由宇宙射線碰撞產生的正電子只是反物質數量的極小部分。宇宙的反物質極其罕見,任何意義上的過量反物質粒子如果被儀器記錄下來,那麼這意味著某種正電子新的源泉,科學團隊在活力十足的宇宙射線之中記錄了過量正電子。

AMS科學團隊分析了410億個原始宇宙射線粒子的事件,其中的1000萬個粒子事件記錄了電子和正電子信號,他們記錄的能量級在過去沒有發現,粒子能級範圍從0、5GeV到500GeV,從8GeV的能級開始,他們檢測到的正電子數量出現了顯的增加,正電子的導入方向沒有明顯的偏好,它們來自太空的各個方向,正電子數量在能量達到275±32GeV時停止了增加。AMS科學團隊的發言人塞繆爾·丁(丁肇中)教授解釋說,物理學家進行了將近半個世紀的宇宙射線實驗,他們第一次獲得了正電子數量的最大值,正電子數量在某一能級上出現了轉折,由上升變為下降的趨勢,正電子佔所有電子的比例在一定水平上不再上升,而且宇宙射線的正電子和電子數量隨能量的上升而變化的趨勢並不對等。AMS科學團隊的實驗成果似乎與暗物質的幾項特徵相符合,宇宙射線的過量正電子可能來源於暗物質,數據分析的結果似乎符合暗物質理論的描述。

過量正電子現象可能含有某種物理學的意義,在能量截止的轉折點上出現了正電子數量的下降,這種極為重要的現象可能成為一種指示器,過量正電子可能表明暗物質粒子相互湮滅的信號,暗物質粒子通過湮滅反應生成了電子和正電子對。檢測的結果可通過脈衝星一類的天體得以解釋、或通過普通宇宙射線的碰撞得以證實,然而,暗物質性質的理論模型和更高能級的粒子成為問題的關鍵,科學家在未來的幾年將要判斷過量正電子信號的來源,它們或者來自暗物質、或者來自宇宙射線。歐洲原子能中心(CERN)的理事長羅爾夫·霍耶爾解釋說,以磁譜儀AMS和大型強子對撞機LHC的探測成果為基礎,在不久的將來,科學家將在過去從未有過的能級上檢測正電子的來源,人類生活在一個激動人心的粒子物理學時代,兩種大型探測器達到了人類科學認識新的高度,探測成果擴展了物理學探索的邊界。

科學家通過AMS太空實驗發現,電子和正電子流量在大約30GeV時產生了顯著差異,特別在20GeV到200GeV之間尤其如此,正電子流量的變化率遠高於電子流量的變化率,這可能證明,過量高能正電子不是源於高能電子數量的損失,正負電子數量變化比率的差異現象有助於科學家更好地理解宇宙射線中的正電子和電子的來源,它們也許是未知物體發出的信號。AMS實驗團隊的發言人丁肇中教授在CERN的研討會上遞交一些有趣味的檢測結果,國際科學團隊將在不久的將來發布對檢測結果的分析報告,一種有趣味的檢測結果顯示,在一種高能的寬能級範圍內,電子和正電子的聯合流量實現了單一、常數項的光譜指數描述,從而否定了之前在其它實驗中推斷的一種結論:存在某種未知的結構體。最終判斷觀測的過量正電子是否源於暗物質粒子的相互作用?科學家需要多年時間的深入探索。

(編譯:2014-9-23)

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