“阿尔法磁谱仪2”明年2月升空寻找反物质

阿尔法磁谱仪项目是由诺贝尔奖获得者、美籍华人丁肇中牵头的,其主要目标是寻找备受科学家关注的反物质和暗物质,并探测宇宙射线的来源。寻找和研究这两种物质有助于揭开宇宙诞生和演变之谜。

我们已知的物质是正物质,它由原子组成,原子由带正电的质子和带负电的电子以及中性的中子组成。与此相反,由带负电的质子和带正电的电子组成的物质就是反物质。暗物质是宇宙中看不见的物质,科学家估计,它占宇宙所有物质总量的90%以上。

要寻找反物质和暗物质,最直接的办法就是寻找“流窜”在太空的反物质和暗物质粒子。由于大气层会吸收反物质和暗物质粒子,因而在地面上不可能探测到它们,所以科学家需要把探测仪放入太空。

1998年6月2日,“阿尔法磁谱仪1”随美国“发现”号航天飞机升空,进行科学探测。这一实验被中国两院院士评为1998年世界十大科技进展。阿尔法磁谱仪1型的主要结构以及关键部分——永磁体是由中国科学家研制的。

“阿尔法磁谱仪2”原计划于2004年由美国航天飞机送入太空,但其行程因2003年“哥伦比亚”号失事被一拖再拖。在此期间,以丁肇中为首的科学家对 阿尔法磁谱仪2型进行了不断改进,其中曾尝试用超导磁体代替永磁体,但最终经模拟空间测试仍决定使用永磁体。目前“阿尔法磁谱仪2”采用的永磁体就是 1998年阿尔法磁谱仪1型太空实验时使用的,是由中科院电工研究所等制造的。

据介绍,这一项目投入达20亿美元,研究人员来自美、 欧、亚三大洲16个国家和地区的56个研究机构,其中包括中科院电工研究所、高能物理所、山东大学、东南大学、中山大学等。它被认为是继人类基因组计划、 国际空间站计划和强子对撞机计划之后的又一个大型国际科技合作项目。

阿尔法磁谱仪与神秘物质

反物质和暗物质很令科学家头痛——从理论上讲,它们应当存在但现实中又苦于找不到它们存在的真凭实据。为求突破,在诺贝尔奖获得者、美籍华人丁肇中的领导下,16个国家和地区的研究人员开始了寻找这两种神秘物质的征程。他们的主要工具就是阿尔法磁谱仪。

阿尔法磁谱仪就像人类派往太空的神探,目的就是捕捉这两种神秘物质的蛛丝马迹。它的主要本领是能够探测到太空中“流窜”的粒子。这一本领基于磁谱仪强大 而特殊的磁场。我们知道,带电粒子进入磁场后其轨迹会发生变化,不同带电粒子的轨迹变化也不同,而不带电的粒子其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物质,这就是暗物质和反物质。

我们已知的物质是正物质,它由原子组成,原子由带正电的质子和带负电的电子以及中性的中子组成。与此相反,由带负电的质子和带正电的电子组成的物质就是 反物质。正物质和反物质相遇则会产生爆炸,释放出大量能量。根据目前的大爆炸假说,我们的宇宙是在约140亿年前由一个非常小的点爆炸而成。大爆炸时,宇 宙在产生正物质的同时,也产生了反物质。两者数量大体相当,正物质多了一点点。

为什么我们现在找不到反物质呢?科学家推测,一种可能 性是反物质存在于宇宙的另外一部分。那里的一切是由反物质组成的,由于反物质发射出的可见光和其他电磁波与正物质发出的没有什么区别,因而我们用天文望远 镜即使看到它们,也无法断定它们是反物质。另一种可能性是,宇宙诞生之初,正物质和反物质相遇相互毁灭后,多出的那一点点正物质构成了我们的星系、恒星、 行星和包括人类在内的各种生物,我们找不到反物质的原因是反物质都消失了。

暗物质是宇宙中看不见的物质,也就是说没有发出可见光和其 他电磁波,因而用天文望远镜就看不到它们。但暗物质能够产生万有引力,对可见的物质产生作用。根据现有的假说和观察,科学家估计暗物质占宇宙所有物质总量 的90%以上。暗物质到底是什么?是否包含反物质?它在宇宙间的分布情况如何等等。这些都需要我们去探索。

由诺贝尔奖获得者、美籍华人丁肇中牵头的阿尔法磁谱仪项目的主要目标就是寻找备受科学家关注的反物质和暗物质,并探测宇宙射线的来源。

1998年6月2日,“阿尔法磁谱仪1”随美国“发现”号航天飞机升空开始科学探索,但并没有发现反物质和暗物质。这一项目被中国两院院士评为1998年世界十大科技进展。“阿尔法磁谱仪1”的主要结构以及关键部分——永磁体是由中国科学家研制的。

后来,科学家开始研制“阿尔法磁谱仪2”。它原计划于2004年由美国航天飞机送入太空,但其行程因2003年“哥伦比亚”号失事被一拖再拖。在此期 间,以丁肇中为首的科学家对“阿尔法磁谱仪2”进行了不断改进,其中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,由于在太空中无法补充液氦,因而利用这种方法制成的磁谱仪寿命只有3年。今年2月,“阿尔法磁谱仪2”曾运至荷兰诺德维克欧洲航天局研究和技术中心进 行模拟空间测试。测试后决定,仍用永磁体,不用超导体。这样可以使磁谱仪的使用寿命长达18年至20年。

这一项目投入达20亿美元,研究人员来自美、欧、亚三大洲16个国家和地区的56个研究机构,其中包括中科院电工研究所、高能物理所、山东大学、东南大学、中山大学等。它被认为是继人类基因组计划、国际空间站计划、强子对撞机计划之后的又一个大型国际科技合作项目。

“阿尔法磁谱仪2”在位于日内瓦的欧洲核子研究中心阿尔法磁谱仪实验室组装完成,并已于8月底运往美国肯尼迪航天中心,目前其状态良好。按计划,它将于明年2月由美国“奋进”号航天飞机送入国际空间站,开始可能长达10余年的寻找反物质和暗物质之旅。