暗物质的新闪光

( 处于对接状态的国际空间站与“奋进号”航天飞机。空间站上方白色仪器为阿尔法频谱仪 )

自从在几十年前发现暗物质存在以来，人类为了探寻暗物质的本质，可谓上穷碧落下黄泉，在距离地表上千米的地下洞穴里，在宇宙空间中游荡的太空站里，都有物理学家为了探测暗物质粒子安置的探测仪器，但是对于这种弥漫在宇宙空间，甚至可能穿过我们的身体，却基本上不与其他粒子发生反应，只有重力效应的神秘物质，物理学家仍然知之甚少。一个又一个针对暗物质粒子的数学模型提出来，又被否定。2014年9月18日，在日内瓦欧洲核子中心的一个学术研讨会上公布了已经在太空中工作了3年多的阿尔法频谱仪探测的最新数据，这也许可以给探测暗物质的物理学家带来新的启示。

2011年5月16日，“奋进号”航天飞机载着“国际空间站”（Interna－tional Space Station）升空，在国际空间站的外部就装备有诺贝尔物理奖得主丁肇中设计的阿尔法频谱仪（AMS），用来探测宇宙射线，并且定期发布探测数据。在这3年多的探测中，阿尔法频谱仪总共已经探测到了540亿个粒子，目前科学家们已经分析了其中410亿个粒子的数据，其中大多数是光子，但是数据中最吸引物理学家的部分，则是电子与其反粒子——正电子的数量以及能量分布，因为这关系到这些粒子的来源。

在公布的最新探测数据中，阿尔法频谱仪总共探测到了58万个正电子的信号和920万个电子的信号。在一个主要由普通物质构成的世界里，反物质（正电子）极为稀少，粒子间的碰撞有可能产生电子－正电子对，但是探测数据显示，这些正电子与电子可能有不同的来源，而且也可能与暗物质粒子有关。2014年9月18日，AMS合作项目的众多物理学家共同在《物理评论快报》（PRL）杂志上发表论文《国际空间站阿尔法频谱仪探测的初级宇宙射线中电子与正电子通量》（Electron and Positron Fluxes in Primary Cosmic Rays Measured with the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station），在这篇论文里详细汇报了阿尔法频谱仪最新的探测数据。

在宇宙射线中通过普通的粒子对撞所产生出的电子－正电子对，根据理论学家的预测，如果绝大多数的正电子都是通过这种方式产生出来，那么随着能量的增强，正电子相对于电子的比例应该逐步减少，阿尔法频谱仪的探测数据显示也确实如此。但是2013年的探测数据显示，当粒子的能量超过了某个限度之后，随着能量的增加，正电子在其中的比例却在快速上升。丁肇中认为，这说明捕获的正电子与电子，很有可能来源并不相同，其中在这个能量范围内的正电子很有可能与弥漫在银河系中的暗物质有关，很有可能是暗物质粒子相互碰撞产生出了正电子，而所捕获的正电子的能量，也说明了暗物质粒子的性质。

脉冲星等天体也有可能产生出正电子，那么如何判断这些正电子的来源，这就需要阿尔法频谱仪不仅可以前所未有的精度探测正反电子的数量及比例，在其探测粒子的能量范围方面，也拓展到一个前所未有的广度（0.5-500GeV），这给物理学家提供了珍贵的数据，可以通过统计手段进行分析。美国能源部高能物理办公室的科学家吉姆西格里斯特（Jim Siegrist）说，物理学家们从1964年就开始测量宇宙射线中电子与正电子的比例，但这是有史以来第一次发现了其中的转折点，这也就意味着物理学家们有可能通过阿尔法频谱仪的数据确认其中高能量正电子的来源。

质量与能量相关，也就是说如果这些高能量的正电子确实是由暗物质粒子对撞产生，那么，通过研究这些正电子的能量，物理学家们就有可能判断出暗物质粒子的质量，从而检验暗物质粒子的数学模型。在超出暗物质粒子质量的范围之外，正电子的数量则会急剧减少。丁肇中在新闻发布会上宣布，科学家们在分析数据时发现，正电子的分布出现了另外一个转折点——在大约275GeV的能量附近，正电子的比例重新开始下降。这个发现可能给物理学家们带来更多的思路，考虑是什么性质和质量的物质产生出这些正电子。丁肇中解释说，如果在这个转折点之后，正电子所占的比重急剧下降，那么其下降的曲线就会给科学家们某些线索，可以从中推断出是什么粒子产生出这些正电子，不同的粒子会给出不同的下降曲线，但是，如果正电子所占的比例只是缓慢地下降，那么它们就有可能是有其他的来源，比如脉冲星。要想得到清晰的数据，还需要阿尔法频谱仪在太空中继续工作几年，才能有足够的统计数据得出正电子的下降曲线。同时，为了得到更有力的证据，阿尔法频谱仪也开始收集其他的正反物质——正反质子对，因为脉冲星并不能产生出正反质子。

欧洲核子中心阿尔法频谱仪控制中心的科学家们也同时宣布，在8GeV～257GeV的能量范围内，正电子的比例并没有一个明显的尖峰，这似乎说明这些能量范围之内的正电子并不是主要由暗物质粒子产生。“这只能说明我们对于太空仍然所知甚少。”丁肇中对此评价道。

为什么要探测暗物质？这种弥漫在宇宙中的神秘物质，是目前人们所熟知的普通物质的5倍，它们深刻地影响了宇宙中物质的分布与星系的形成，在人类已经成功构建了标准粒子模型的情况下，仍然对暗物质一无所知（甚至不知道它是否和普通物质一样是由基本粒子的形式构成），人类想要理解和探索宇宙，就无可避免地必须理解暗物质。

此刻，由来自16个国家的56个研究机构共同设计的重达7.5吨的阿尔法频谱仪仍然在太空中搜集和辨别探测各种粒子，在地球上，也仍然有数以百计的物理学家试图从数据中寻找到暗物质的线索。欧洲核子研究中心总干事罗尔夫霍尓（Rolf Heuer）认为，阿尔法频谱仪和大型核子对撞机的实验已经把物理学研究的边界向前大大推进。

阿尔法频谱仪对于太空中正反电子的探测可能还无法完全揭开暗物质之谜，但是这个实验已经彻底改变了物理学家研究暗物质粒子性质的方式。在2011年阿尔法频谱仪升空之前，粒子物理学家只能构建一个个的数学模型进行推测，如今却已经有了浩如烟海的数据供物理学家研究。物理学研究与艺术创作倒也有异曲同工之妙，若是不能妙手偶得，就只能千锤百炼，通过成年累月的辛苦工作来解开暗物质的谜团了。 天文电子闪光频谱仪正电子粒子物理学阿尔法暗物质