阿爾法(α)磁譜儀空間探測

2016年12月8日，正值阿爾法磁譜儀（AMS）進入太空運行的五年之際，該項目的主持人、諾貝爾物理獎獲得者、美籍華人科學家丁肇中教授在歐洲核子中心（CERN）發布了AMS五年太空實驗的結果。

丁肇中認為，AMS項目做了五年，得出了很多不一樣的結論，顛覆了我們對宇宙線的認識。這次發布的太空實驗結果，表明取得了幾項重大突破：（1）通過AMS對1650萬個電子和108萬個正電子的測量，顯示電子流強與正電子流的強度不同，隨能量變化的行為也不一樣。在60GeV（GeV表示十億電子伏特）以上，正電子、質子和反質子的流強顯示出一樣的隨剛度變化的行為，而電子的行為則完全不同。這一結果與以往實驗結果完全不同，它刷新了科學家對宇宙射線的認識。（2）宇宙中的反質子非常稀少，是質子的萬分之一，AMS用了5年的時間準確分辨出349000個反質子事例，其中探測到2200個能量高于1000億電子伏特的反質子事例。（3）AMS測量了3億個質子事例，質子流強的精度達到1%。結果顯示，質子流強不能簡單地描述成單一的冪律譜，質子能譜指數隨能量變化。這一結果改變了幾十年來人類對宇宙線的普遍認識。（4）AMS通過7個子探測器鑒別了不同種類的基本粒子和原子核，包括氦、碳、氧等輕原子核和更重的原子核，一直到鐵核。AMS測量的碳-氦流強比和氧-碳流強比是與剛度無關的。而出乎意料的是，質子-氦流強比卻隨著剛度的增加而迅速但平滑的下降。（5）AMS還測量了其他的次級宇宙線，包括硼和鈹。測量鈹-硼流強比例將能得到關于宇宙線在星系間傳播時間的信息。AMS通過這一測量測得銀河系宇宙線的年齡大約是1200萬年，這是人類首次獲得宇宙線的相對準確年齡。（6）同樣重要的是，硼-碳流強比沒有任何顯著的結構，與很多宇宙線模型的預言不同。

宇宙射線示意圖

據了解，宇宙射線是來自宇宙空間的高能粒子，是人類獲取太陽系以外物質樣本的唯一渠道，被認為是傳遞“宇宙大事件”的信使和發現“宇宙加速器”的探針。丁肇中認為，組成人類已知物質的質子、中子、電子等粒子，只占宇宙的不到5%，而宇宙中95%以上的物質看不見、摸不著，因此稱之為暗物質（包括暗能量）。暗物質無法直接觀測，卻能干擾星體發出的光波或引力等，其存在能被明顯感受到。為尋找暗物質而遠赴太空的AMS，每天不間斷地紀錄與采集數以億計的數據信息，以前所未有的精度探測著宇宙線中正電子流強、正電子比例、反質子-質子比以及電子、正電子、質子、反質子、氦核以及其它核子的流強，試圖找到暗物質的“蛛絲馬跡”，并由此形成一個全新的物理模型。

2016年12月9日，AMS熱系統總負責人、山東大學空間熱科學研究中心主任程林教授接受了《科技日報》記者的采訪，他說：“AMS測量的這些涵蓋多種宇宙線粒子的精確而獨特的數據，不是拓展了人類‘已知的邊界’，而是拓展了‘未知的邊界’……我們‘未知變已知’的領域擴大了。如果說我們之前對宇宙線的認知是一只‘乒乓球’的范圍，現在已經擴展到了一只‘足球’的面積。”然而AMS的這次突破，并不意味著我們找到暗物質指日可待。程林表示：“尋找暗物質沒有時間表。目前可能只是剛剛開了個頭，可能以后還要花五年、十年，甚至更多時間才能有更大收獲，但科研的意義更在于探索的樂趣，以及這其中意想不到的發現。”浩瀚無垠的宇宙有待人類不斷地去探索。

圖2　阿爾法磁譜儀 的關鍵部件永磁體

阿爾法(α)磁譜儀是1998年人類送入宇宙空間的第一個大型磁譜儀。它利用強磁場和精密探測器來探測宇宙空間的反物質和暗物質，探索和研究宇宙物理學、基本粒子物理學和宇宙演化學的一些重大和疑難問題，例如尋找磁單極子等。最早的阿爾發磁譜儀是1998年由“發現號”航天飛機載入太空，進行了約10天的試驗性探測。圖2是這次所用的阿爾法磁譜儀中由中國科學家設計制造的關鍵部件永磁體系統，左下圖是在“和平號”空間站上拍攝的在“發現號”航天飛機上的阿爾法磁譜儀。計劃在2003年將阿爾法磁譜儀送到國際空間站工作3~5年，進行較長時期對空間反物質和暗物質等的探測。阿爾法磁譜儀(英文縮寫為AMS)的研制工作是由美籍華裔物理學家、1976年度諾貝爾物理學獎獲得者丁肇中教授提出并領導的一個大型的國際合作科學研究項目，由美國和中國等10多個國家和地區的37個科研機構參加科研工作。其主要目的是尋找太空中的反物質和暗物質，以及解決其他一些重大科學問題。反物質是指由質量相同但電荷符號相反的反電子(即正電子)、反質子和反中子組成的反原子構成的物質，如反氦和反碳等。暗物質是指不能用光學方法探測到的物質。根據現代科學研究中的一些學說，宇宙中除一般見到的物質(即正物質)以外，應還存在反物質；除用光學方法探測到的一般物質以外，應還存在用光學方法探測不到的暗物質。這些物質在磁場中運動時會表現出不同的特點，因而可以用探測器探測出來。阿爾法磁譜儀主要由磁系統和靈敏探測器等構成。

這套既具有重要的科學意義，又應用高新技術的阿爾法磁譜儀的提出和領導者美籍華裔物理學家丁肇中教授的祖籍為山東省日照縣。因父親和母親都在美國留學而出生在美國(1936)。回到中國后不久抗日戰爭爆發，隨父母到四川度過童年。后又同父母到臺灣。1956年去美國留學，最初在工學院學習，后轉入物理系學習。在取得博士學位后，便從事物理研究工作。1974年同其領導的實驗小組發現J粒子，兩年后(1976)丁肇中教授因這項重要發現而獲得諾貝爾物理學獎。1993年由丁肇中教授發起，邀請美國和中國等10多個國家和地區的科學家組成國際合作研究的阿爾法磁譜儀實驗組。在阿爾法磁譜儀的研究中，由中國科學家完成了大型的稀土永磁鐵系統(圖2)的設計、制造和安裝等工作。

可以看出，阿爾法磁譜儀是當代宇宙磁學中的一項重要的研究和應用成果。我們中國在這項重要的研究和應用中也作出了重要的貢獻。