宇宙线究竟有多奇妙，这个巨大的装置在400公里外的太空时刻观察着

山东老妖

作者 吴苡婷 首发于上海科技报
在距离地球表面400公里的茫茫太空中，重达420吨的国际空间站以每93分钟绕地球一圈的速度高速运转着，而空间站上唯一一个大型科学实验装置阿尔法磁谱仪（AMS）也在24小时不间断地紧张工作着，五年多时间中，它测量了超过900亿个带电宇宙线的各种特性，接收着从茫茫宇宙中传来的未知信息。

1915年，爱因斯坦根据他的相对论得出推论：宇宙的形状取决于宇宙质量的多少。他认为:宇宙是有限封闭的。如果是这样，宇宙中物质的平均密度必须达到每立方厘米5×10的负30次方克。但是，迄今可观测到的宇宙的密度，却比这个值小100倍。也就是说，宇宙中的大多数物质“失踪”了，科学家将这种“失踪”的物质叫“暗物质”。

反物质概念是英国物理学家保罗·狄拉克最早提出的。他在1928年预言，每一种粒子都应该有一个与之相对的反粒子，例如反电子，其质量与电子完全相同，而携带的电荷正好相反（A）。今天科学家们也达成了共识，如果宇宙起源于大爆炸，那么大爆炸之前是真空，那么大爆炸之后应该有相同数量的物质与反物质。那么反物质的宇宙在哪里？

而阿尔法磁谱仪（AMS）肩负的任务就是通过测量宇宙线，利用一手的实验验证过去科学家们猜想的暗物质和反物质的各种理论。

丁肇中在复旦大学科技论坛上 杨浦东摄影

在2016复旦大学科技论坛上，丁肇中教授向在场的师生们公布了由他领衔的阿尔法磁谱仪项目的最新研究成果。这些成果表明，人类在解开宇宙奥秘的道路上又向前迈出了重要一步。
为什么要把阿尔法磁谱仪发射到空间？
哈勃望远镜是在地球轨道上并且围绕地球的太空空间望远镜，望远镜的位置在地球的大气层之上，影像不会受到大气湍流的扰动，视相度绝佳又没有大气散射造成的背景光。由航天飞机送到国际空间站的阿尔法磁谱仪（AMS）和哈勃望远镜有点类似，目的都是“看”得更加清楚和准确。
丁肇中教授在论坛上告诉复旦师生，宇宙线亦称为宇宙射线，有两种宇宙线在空间中穿行，一种是中性的宇宙线（光和中微子），另一种是带电的宇宙线。带电的宇宙线分为初级宇宙线和次级宇宙线，初级宇宙线包含质子、氦、碳、氧等，次级宇宙线是初级宇宙线和星际物质相撞后产生的宇宙射线，包括锂、铍、硼等。初级宇宙线携带了它们的来源以及传播过程的信息。而次级宇宙线包含着初级、次级宇宙线的传播，以及星际物质的信息。
过去我们一般只能测量到中性的宇宙线（光和微电子），科学家们可以通过卫星和大型的地面及地下的实验来测量，传统的中微子探测器，比如位于日本的超级神冈探测器是水罐，建立在废弃的矿井之下。2010年，位于南极的“冰立方中微子天文台”竣工，它位于南极冰下1.45公里深处，实验装置体积为1立方公里，由86根装备了传感器的电缆所组成，每根电缆包含有60个光学传感器，这5160个传感器的使命就是搜寻太阳系和我们所在的星系外的中微子。

位于南极的“冰立方中微子天文台”
“因为地球的大气层厚度相当于10米深的水域，因此地面实验不能测量出带电宇宙线的电荷、质量和特性。而阿尔法磁谱仪（AMS）是唯一能在太空中直接测量带电宇宙线特性的实验装置。”丁肇中介绍说。
中国科学界为AMS项目做出了巨大的贡献
AMS项目的建立也是颇费周折，它是由美国、中国（包括台湾地区）、德国、意大利、瑞士、西班牙、法国、俄罗斯等16个国家和地区进行的空间科研合作项目，涉及全球60所大学和研究所，有600位科学家参与。它是类似引力波实验的人类重要的基础研究项目之一。在立项初期也受到了很多质疑。
2008年，美国参议院和众议院全体通过了相关法律，要求美国政府为AMS项目增加一班航天飞机，将AMS仪器设备送到国际空间站。之前，第一台AMS-01在1998年进入轨道，用来掌握磁谱仪在太空运行的基本技术。AMS-02的任务是用来寻找反物质和暗物质的存在。2010年8月25日，美国空军C5运输机到达瑞士日内瓦机场将AM-02仪器设备送往肯尼迪航天中心。2011年5月16日奋进号宇宙飞船发射，丁肇中清楚地记得他当时在发射台做最后检查时的场景，他一个人思考了4个小时后，觉得计划完美，同意发射。5月18日，奋进号宇宙飞船接近国际空间站。5月19日5点15分，两名宇航员顺利将AMS仪器设备安装在了国际空间站上，9点35分AMS开始收集数据，并在一秒钟内实时传输到位于瑞士日内瓦的控制中心。丁肇中介绍说，因为空间站太阳能板与辐射板随时会影响AMS的温度，所以AMS项目科学家们必须及时与空间站控制中心的科学家进行协调。

图为丁肇中在瑞士日内瓦的控制中心
值得一提的是AMS上所有的探测器都是来自AMS项目团队发展的新技术，这些探测器包括穿越辐射探测器、硅微条探测器、电磁能量探测器、飞行时间计数器、环形切伦科夫计数器等。丁肇中在演讲中介绍说，中国科学界为AMS项目作出了巨大的贡献：中科院电工所、高能所、航天部一院参与了AMS永久磁铁的研制；中山大学对硅微条探测器的研制做出了重要贡献；山东大学程林教授承担了AMS项目空间站上热控制系统的研发任务；中国科学院、高能所、航天部一院等单位参与了AMS项目电磁量能器的研制。
一些实验结果颠覆现有理论
丁肇中介绍说，宇宙中有数以百计的带电基本粒子，其中的电子、质子、正电子、反质子具有无限的寿命，它们可以一直在宇宙中穿梭旅行。但是在AMS实验之前，很多测量结果误差很大，也产生了不同的理论猜测。但是经过AMS探测器精确测量，发现有一些实验数据与过去的理论不符合。比如我们传统理论认为宇宙线与星际物质碰撞，会产生正电子，而AMS测量结果发现在低能段符合这一理论预测，但是从80亿电子伏开始，AMS测量的正电子流强就超过传统理论中宇宙线与星际物质碰撞产生的正电子流强；再比如质子流强、氦流强、锂流强实验结果和传统理论预测不符合，换句话说实验推翻了几十年来的传统理论。

测量铍-硼流强比例将能得到关于宇宙线在星系间传播时间的信息，AMS探测器目前测得宇宙线在星系中传播的年龄大约是1200万年。丁肇中说，传统上，宇宙射线的传播可以用接近光速的气体在磁性等离子体中的扩散效应来描述，不同的磁性等离子体的模型预测出不同的硼/碳比例，AMS大量的实验证明了结果与Kolmogorovturbulence 湍流模型符合。令丁肇中吃惊的是虽然碳和氧都是初级宇宙射线，过去大家都认为它们有很大不同，但是实验却显示它们相同的能谱，连速度都一样。
丁肇中说，值得一提的是AMS探测器测量的正电子和反质子结果都和传统暗物质理论符合。根据传统理论，暗物质的湮灭会产生正电子。AMS探测器以十亿分之一的测量精度,探测到少量疑似反氦事件,使人类见到反物质宇宙探测的曙光，但是要完全证明找到暗物质还需要几年的时间。

“AMS还测量出了宇宙射线中的周期表，上面的原子能量分布都与现有的宇宙线理论不符合，AMS推翻了以前的理论，带来了新的知识。最重要的是它探测到了自然界的真实存在，这是我们无法想象，前所未有的现象。”丁肇中表示。
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