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发现40万个正电子 或“捉”到暗物质

科技动态
来源: 标签:发现40万正电子 2013-04-05 14:40:53
《物理评论快报》这份著名的学术刊物刊发署名评论说,新成果具有“史无前例的灵敏度”,尽管现在还不能排除其他可能性,但它“强烈暗示”人们已捕捉到了暗物质的痕迹。

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    《物理评论快报》这份著名的学术刊物刊发署名评论说,新成果具有“史无前例的灵敏度”,尽管现在还不能排除其他可能性,但它“强烈暗示”人们已捕捉到了暗物质的痕迹。

    美国航天局局长查尔斯·博尔登3日也发表声明说,阿尔法磁谱仪首批研究成果“将有助于促进对基础物理学和天体物理学领域新的理解”,“我们期盼更多来自这一项目的令人激动的成果”。

    记者3日晚从山东大学获悉,由丁肇中主持、山东大学参与的AMS(阿尔法磁谱仪)项目在历时18年之后公布第一个实验结果。山东大学受权在4日零时宣布,AMS已发现超过40万个正电子,这些正电子有可能来自于脉冲星或者人类一直寻找的暗物质。

    AMS是由丁肇中主持的国际重大科学工程,主要用于探测宇宙外层空间反物质与暗物质。山东大学于2004年参加AMS项目,山东大学热科学与工程研究中心主任程林教授全面负责AMS热系统的研究、设计、制造与实验。

    根据山东大学受权发布的数据,从2011年5月至2012年12月,AMS在太空实际运转中探测到超过40万个正电子。实验结果显示,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分随能量的增加而减小;在100亿到2500亿电子伏特的区间内,比分递增;到2500亿电子伏特之后,比分曲线基本变平。

    实验结果还表明,正电子比分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。程林说:“这些特征是新物理现象的论据。未来延伸到更高能量层面的研究之后,将确定这些正电子是来自暗物质粒子的碰撞还是银河系中的脉冲星。”

    实验还验证了此前科学界对初级宇宙射线中正电子的研究,但是收集的数据量远超过此前的实验,精确度更高。据程林介绍,目前收集到的数据仅仅为预期总数据的十分之一。他说:“随着AMS持续运行,收集到的数据会越来越多,实验结果也会更加精确,我们对暗物质的来源及其他物理现象可以有更好的了解。”

    阿尔法磁谱仪有颗“中国芯”

    丁肇中说,“如果缺少了中国科学家,如何将大型磁体放入太空这一几十年来的难题恐怕现在还无法解决。”

    3日发表的丁肇中团队报告,后附一份长长的作者名单。阿尔法磁谱仪项目荟萃了全球54个科研机构的数百名研究人员,其中名列第七的是中国的中科院电工所。阿尔法磁谱仪有颗“中国芯”,它最关键的大型磁体来自中科院电工所。

    当天晚间,丁肇中在办公室接受新华社记者采访时说,目前阿尔法磁谱仪收集到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,而阿尔法磁谱仪的误差只有1%,“相当于肉眼和精密显微镜的区别。”

    应该说,阿尔法磁谱仪在探寻暗物质的过程中立下了汗马功劳。但如何将一个桌子大小的磁体送入太空却困扰了科学家近40年。

    早在上世纪60年代,丁肇中就踏上了追寻暗物质的征程。直到一次偶然的机会,丁肇中在美国一份文献中看到中科院电工所的论文,发现中国能制造很好的磁体,与其他国家的方案相比,电工所的永磁体方案具有重量轻、无漏磁、无二极磁矩及磁场均匀等优点。丁肇中把这一方案带回美国,获得一致肯定,随后与中方签署了合作合同。

    “近40年无法解决的难题,最后还是由中科院电工所给解决了,”丁肇中说,“如果缺少了中国科学家,如何将大型磁体放入太空这一几十年来的难题恐怕现在还无法解决。”

    1998年6月,磁谱仪项目的实验机阿尔法磁谱仪1终于搭乘“发现”号航天飞机升空10天,获得了大量重要数据,其核心部分就是中国制造的永磁体系统。

    2011年5月,阿尔法磁谱仪2搭载最后一班航天飞机,在国际空间站开始长达20年的太空探索,其核心部分仍是当年的“中国制造”。

    除永磁体系统是中国制造外,磁谱仪项目的整体散热系统、轨迹探测器热控系统、地面模拟系统、电磁量能器结构和地面总装支撑设备的设计研制,也分别由山东大学、中山大学、东南大学和中科院高能物理研究所独立或参与完成;而台湾的中山科学院也为磁谱仪项目设计出了运行速度比美国航天局现行系统快10倍的电子控制系统。

    问答暗物质

    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。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: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。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。据新华社 

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