引燃暗物質的「普羅米修斯火種」

———潛在的暗物質發現是空間實驗科學的勝利

4月3日，研究人員第一次發布了阿爾法磁譜儀（AMS）的探測成果，AMS的造價為20億美元，它是一台探測宇宙射線粒子的儀器，AMS安裝在一個相當於足球場大小的國際空間站的外部，磁譜儀在太空探測到被稱之為正電子的反物質粒子，它們也許是暗物質粒子的相互碰撞留下的產物。理論物理學家羅伯特·加里斯托認為，從國際空間站的磁譜儀獲得的探測成果具有重要的物理學意義，加里斯托沒有參與AMS項目的研究，他目前擔任《物理評論通訊》雜誌的編輯，AMS的研究成果被收錄到新一期的雜誌中。

無論AMS探測的數據揭示了什麼成果，或預示了暗物質的存在、或預示了其它的粒子發射源，國際空間站都為科學實驗搭建了「太空實驗室」。國家空間站的造價為1000億美元，它是一個在軌的空間實驗室，站內駐紮了3到6名「全天候」宇航員，AMS的科學使命在於收集宇宙射線粒子，太空中的宇宙粒子非常豐富，由於地球大氣層的影響，很大部分的射線被擋在地球大氣層以外，我們在地球表面的觀測活動受到大氣層的干擾。

在1年半到18個月的觀測活動中，AMS記錄了大約300億個宇宙射線粒子，其中包括40萬個正電子，地球觀測做不到太空觀測的精確性，這是AMS項目的科學價值所在。大量的正電子可能與暗物質現象有關，暗物質看不見，它是一種「隱身物質」，它在宇宙的物質構成中佔到了80%，暗物質的神秘莫測與它自身的屬性有關，暗物質粒子和普通物質粒子不發生、或很少發生相互作用。它們之間的引力是個例外，人們通過暗物質和普通物質的引力作用來判斷暗物質的存在。

根據一種主導性理論的解釋，暗物質由弱相互作用的粒子組成，物理學將這種類型的暗物質粒子稱之為WIMPS，大質量暗物質粒子在相互碰撞後也許能夠發生湮滅作用，也許從中能夠產生可以檢測的信號。WIMPS粒子可能擁有粒子和反粒子「雙重性」的特徵，或它們有反物質的夥伴粒子。物質和反物質粒子的相撞能夠產生湮滅現象，當兩個正反的WINPS粒子發生碰撞時，同樣可能產生暗物質粒子的湮滅現象，從中釋放出電子和正電子。

建造阿爾法磁譜儀的主要動機之一是搜索WIMPS粒子的信號，無論磁譜儀對暗物質的檢測有怎樣的結果，科學家都以歡呼和欣喜的心情看待AMS的早期觀測成果。NASA的太空梭第一次搭載AMS的發射計劃被取消，主要是由於哥倫比亞號太空梭在2003年發生了空難，對災難事故的調查和分析進行了很長時間，太空梭新的發射計劃被迫拖延，科學家用各種途徑來說服NASA的官員，他們相信，增加一次太空梭的發射計劃很有必要，在他們堅持不懈的勸說下，NASA為退役的太空梭安排了一次「最後的飛行」，2011年4月，奮進號太空梭發射升空，它將AMS送上了國際空間站，這是太空梭30年飛行使命中倒數第二次的飛行。

———造價昂貴的磁譜儀可能發現了暗物質痕迹

難以琢磨的暗物質不發光，人們不能用望遠鏡來觀測它們在太空的存在，它們與普通物質相比卻「大放光彩」，暗物質瀰漫在整個宇宙，「光彩熠熠」的普通物質在暗物質面前顯得「黯然失色」。AMS檢測的正電子和粒子物理學一種預期相一致，正電子可能是暗物質粒子相撞後留下的產物，國際空間站搭載的AMS檢測了過量的正電子，也許標示了暗物質和其它粒子源的存在。論文的共同作者、夏威夷大學的物理學家維拉尼卡·賓迪認為，從暗物質發出的正電子能夠達到高於10吉電子伏特（GeV）的能級。在這之前，科學家實施了由衛星搭載的探測器（PAMELA）、或反物質和光特性天體物理學項目的研究，他們同樣檢測到了過量的正電子。

AMS檢測的正電子覆蓋大的能級範圍，從10GeV到250GeV，在20GeV到250GeV的能級範圍，科學家希望發現由暗物質湮滅作用釋放的正電子，他們通常認為，隨著正電子能級的提升，它們的數量將會出現很大的下降。過量的正電子似乎出現在太空的所有方向，它們不是來自單一的方向。過量的正電子可能來源於瀰漫在太空的暗物質。科學家利用用AMS連續收集了680百萬單位個正電子和電子的信號，對於正電子是否來源於長期尋找的暗物質？他們需要給出更好的回答。

如果AMS檢測的過量正電子不是由暗物質粒子WIMPS的相互撞擊帶來的，那麼存在其它的解釋，例如：超新星的遺留物——脈衝星，脈衝星分布在我們銀河系的銀道面。夏威夷大學的物理學家維拉尼卡·賓迪認為，即便AMS獲得了更多數據，目前不能徹底解開過量正電子如何產生的謎團，正電子來源於暗物質、來源於脈衝星，甚至來源於其它的發射地？這是一個有待解決的問題。為了用多種手段來發現暗物質的真相，科學家通過深層的地下實驗來檢測WIMPS，例如：各國科學家正在進行低溫暗物質搜索和氙氣探測項目。

———麻省理工的丁肇中出席NASA新聞發布會

美國東部時間4月3日，NASA舉辦了一場新聞發布會，阿爾法磁譜儀第一次的檢測成果與公眾見面，科學家有機會解釋了造價20億美元的「大儀器」的科學價值，考慮到太空梭的安全性和經濟性，NASA打算放棄AMS的發射計劃，科學家堅持不懈地說明AMS項目科學實驗的價值，AMS最終飛向太空。阿爾法磁譜儀是一台先進的宇宙射線探測儀，設計和建造它的初衷是為了尋找宇宙的反物質和暗物質，磁譜儀被安裝在國際空間站的外部主桁架，諾貝爾獎的獲得者、MIT的華裔物理學家丁肇中擔任項目主管，16個國家和56個科研機構的200多名科學家「歡聚一堂」，丁肇中團隊是一個「國際大家族」。

2005年，NASA取消了太空梭搭載AMS的飛行使命，2003年，在太空飛行史上發生了一起最大的災難，哥倫比亞號太空梭在升空後不久發生爆炸，2011年，太空梭的「艦隊計劃」由於大事故的發生而取消。NASA當局一度對AMS冷眼相看，熱情不減的科學家卻發起了復活AMS的行動計劃，他們遊說國會的立法者，設法讓議員們為探索計劃投支持的一票，他們的倡議和努力獲得了成功，在經濟不景氣的背景下，國會沒有減少對科學投入的經費，議員們批准了一項額外的追加經費，將AMS送上國際空間站的經費得以落實，2011年4月，奮進號太空梭將AMS送上近地軌道空間站。科學家說服了NASA和國際空間站的管理層，一項延長空間軌道實驗室的方案獲得管理層的批准，國際空間站的運行時間將會延長到2020年。丁肇中的科學團隊成員充滿熱情和想像力，他們回應了管理層的決策，準備更換AMS的主要部件，最初的磁鐵僅能發揮幾年的作用，更換的永久磁鐵能夠運行更長的時間。

2011年4月16日，阿爾法磁譜儀「登陸」國際空間站，儀器在三天後被激活，磁譜儀的運行由NASA位於波斯頓的約翰遜航天中心進行操控。磁譜儀由一種3英尺寬的大體積磁鐵組成，磁鐵的功能是讓接收的射線粒子「像綿羊一樣聽話」，讓這些粒子在彎曲的「路線圖」有序地行進，射線粒子被導入探測器的「黑箱」，探測器的功能是測量粒子的電荷、能量和其它物理指標。這部翱翔太空的複雜機器讓科學家耗費了16年多的時間，7噸重「命運多傑」的大儀器承載了丁肇中團隊的科學夢想。2月17日，丁肇中出席了美國科學進步協會在波斯頓舉辦的年度會議，他在會議上說到，「這不是在書寫一篇小論文」，「這是朝向理解暗物質的性質邁出的一小步」，「沒有找到最後的答案，我們不會宣布沒有絕對把握的最終結果」。

（編譯：2013-4-9）

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