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最昂贵太空实验将传回首批数据:或发现暗物质
2013-02-21 08:56:18   编辑:上方文Q   点击可以复制本篇文章的标题和链接
 
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新浪科技报道,作为人类在太空中进行的最为昂贵的实验,阿尔法磁谱仪(简称AMS)项目即将向地球发送回首批观测数据。这个大型的实验装置被放置在国际空间站上,用于探测宇宙射线及高能粒子。

诺贝尔物理学奖获得者丁肇中称,将于未来几周内发表涉及暗物质的研究论文。阿尔法磁谱仪项目最初便是由丁肇中提议开始。在宇宙中,正是那些我们看不见的暗物质将各个星系联接在一起。研究者并不了解这些谜一般的宇宙物质如何构成,但有理论提出,大质量弱相互作用粒子(简称WIMP)是暗物质最有希望的候选者,这是一种尚处于理论阶段的粒子。

虽然天文望远镜无法探测到大质量弱相互作用粒子,但阿尔法磁谱仪很有希望通过间接的方法来确认其存在,并描述它的性质。即将刊出的研究论文(发表期刊还未确定)将对这项研究的进展作详细阐述。

丁肇中在麻省理工学院任物理学教授,他在20世纪90年代中期提出的这个项目如今到了一个重要的里程碑时刻。“我们等待了18个月来写这篇论文,如今到了最后审视的阶段,”丁教授在波士顿的一次美国科学促进会(AAAS)的年会上发言道,“我预计在未来两到三周内,我们就能发布研究成果。我们一共有六个分析小组对相同的数据结果进行分析。如你所知,每个物理学家都有他们自己的见解,我们现在要保证每个人都能同意彼此的观点。这项工作现在已经完成得差不多了。”

20亿美元的机器:“探索未知”

2011年,造价20亿美元的阿尔法磁谱仪搭载奋进号航天飞机前往国际空间站,这也是奋进号的最后一次任务。阿尔法磁谱仪重达7吨,拥有一个巨大的特制超导磁铁,能使落在它上面的粒子轨迹发生弯曲。

粒子的弯曲轨迹显示了它的电荷,再通过一系列的探测器对粒子的质量、速度和能量等进行分析,科学家便能准确知道捕获的是什么粒子。据丁肇中教授称,在阿尔法磁谱仪运行的最初18个月中,已经探测了250亿次粒子事件。

暗物质和暗能量之谜

在这些粒子事件中,有近80亿次是快速运动的电子及与其对应的反物质——正电子。理论上,大质量弱相互作用粒子的碰撞和湮灭会产生大量电子和正电子。通过测定二者的比例,以及在能量谱上的行为变化,科学家或许能找到研究暗物质问题的途径。

“在对正电子和电子的观测中,如果发现二者比例突然上升然后急剧下降,那就是星系中暗物质湮灭的关键标志,”芝加哥大学卡弗里宇宙学研究所的迈克尔·特纳(Michael Turner)教授说,“在能量体系中也要考虑,是否具有各向异性?正电子是从固定的某个方向还是从所有方向出现?”

特纳教授并未参与阿尔法磁谱仪的合作项目。他继续说道:“暗物质应该无所不在,因此如果我们发现正电子从某个特定的方向发出,就意味着该信号是来自像脉冲星(一种中子星)一类的天体,而不是暗物质。”

据悉,此次阿尔法磁谱仪的数据涉及的是0.5至350GeV(10亿电子伏特)质量范围内的正电子—电子比例。这一范围已经是其他实验中,科学家认为可能发现暗物质的上限。

特纳教授说,科学家已经逐渐接近了目标。他预测未来数年将会被铭记为“大质量弱相互作用粒子(WIMP)的十年”,而且通过一系列的研究,包括利用大型强子对撞机制造WIMP等,暗物质的性质将逐渐呈现在我们面前。

“理论上,这种粒子的质量大约在质子质量的30、40和300倍之间,即在30至大约1000GeV之间,”特纳教授说,“大型强子对撞机能够制造这样质量的粒子,丁肇中的阿尔法磁谱仪能探测到这样质量的粒子湮灭,而位于深地底的探测器对这样质量的粒子也非常敏感。如果非常幸运的话,我们能同时获得有关暗物质的三个特征信号,分别是通过观测粒子湮灭、直接探测粒子以及用大型强子对撞机制造粒子,这三种方法在同样的质量范围内都很灵敏。”

最昂贵太空实验将传回首批数据:或发现暗物质
阿尔法磁谱仪(又译反物质太空磁谱仪,简称AMS)于2011年放置到国际空间站(ISS)

最昂贵太空实验将传回首批数据:或发现暗物质
穿越辐射探测器(Transition Radiation Detector)能检测高能粒子的速度;硅追踪器(Silicon Trackers)用于追踪粒子的运动轨迹,轨迹的弯曲程度显示了粒子的电荷;永磁铁(Permanent Magnet)是阿尔法磁谱仪的核心部件,能令粒子轨迹弯曲;飞行时间计算器(Time-of-flight Counters)能计算低能粒子的速度;星体追踪器(Star Trackers)能扫描星域,以确定阿尔法磁谱仪在太空中的朝向;切伦科夫探测器(Cerenkov Detector)可精确计算快速通过的粒子速度;电磁量能器(Electromagnetic Calorimeter)用于计算影响粒子运行所需的能量;反符合计数器(Anti-coincidence Counter)可将干扰粒子过滤出去。

 

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