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暗物质研究首批成果公布
2013-04-05 12:32:20  作者: 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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据《南方都市报》报道,诺贝尔奖得主、美籍华人物理学家丁肇中今天公布了其主持的阿尔法磁谱仪项目(AMS)的首批研究成果。实验观察到宇宙射线流中正电子存在的比率符合关于暗物质存在的理论预测,但目前尚没有充分证据排除其他可能性。

据介绍,用于探测宇宙射线中的粒子的“阿尔法磁谱仪2”在从2011年5月至2012年12月的运转期间,记录了250亿个宇宙射线事件。科研人员说,他们在宇宙射线流中发现了过量的正电子存在。

实验还显示,实验数据随着时间推移并没有发生显著的变化,也与宇宙射线来源方向没有显著关系。

该实验的结果符合宇宙中暗物质粒子碰撞湮灭产生正电子的理论,但还不能排除其他可能性,例如正电子可能来自位于银河系平面附近的脉冲星。这个研究结果即将发表在《物理评论快报》上。

丁肇中说:“在未来几个月的时间里,阿尔法磁谱仪将能够确定地告诉我们这些正电子是不是暗物质的信号,或者它们是不是有其他起源。”

暗物质和暗能量是在现代天文学和物理学最重要的谜团之一,它们是为了解决宇宙学观测与理论上的矛盾而提出来的。阿尔法磁谱仪的任务就是观察暗物质湮灭时产生的正电子,从而寻找暗物质存在的证据。

1937年,天文学家弗里兹·扎维奇发现,大型星系团中的星系具有极高的运动速度,然而星系的运行速度远远超出万有引力公式计算出的结果,这表明除了人类已知的星系团核心物质对该星系的引力外,还存在其它引力。天文学家进一步推断,在人类已知的宇宙物质之外,还有一种物质存在。

此后70多年的研究、分析均表明,这一至今未被人们观测到的物质即“暗物质”在宇宙中存在,而且其在宇宙中所占的份额远远超过目前人类可以看到的物质。宇宙中最重要的成分是暗物质和暗能量,暗物质占宇宙25%,暗能量占70%,我们通常所观测到的普通物质只占宇宙质量5%。目前,只能通过其与物质的相互作用来间接“观察”暗物质。

2011年5月16日,美国“奋进”号航天飞机耗资5亿美元执行最后一次任务,将太空粒子探测器“阿尔法磁谱仪2”送至国际空间站。5月19日,阿尔法磁谱仪收集到的首批数据发回位于日内瓦的控制中心。

科技前沿:探索暗物质问与答

什么是暗物质?

暗物质是宇宙中看不见的物质。现在我们看到的天体,要么发光,如太阳,要么反光,如月亮,但有迹象表明,宇宙中还存在大量人们看不见的物质。它们不发出可见光或其他电磁波,用天文望远镜观测不到,但它们能够产生万有引力,对可见的物质产生作用。

迄今的研究和分析表明,暗物质在宇宙中所占的份额远远超过目前人类可以看到的物质。宇宙中最重要的成分是暗物质和暗能量,暗物质占宇宙25%,暗能量占70%,我们通常所观测到的普通物质只占宇宙质量的5%。

探测暗物质有何意义?

暗物质被认为是宇宙研究中最具挑战性的课题。目前,暗物质的存在已经被人们普遍接受。人们认为暗物质促成了宇宙结构的形成,如果没有暗物质就不会形成星系、恒星和行星,更谈不上今天的人类了。

暗物质的存在是通过天文观测推测出来的,然而目前被广泛认可的粒子物理学标准模型预言的62种基本粒子中不包含能解释暗物质的基本粒子,因此,探测和研究暗物质很可能导致物理学界新的革命。

如何探测暗物质?

暗物质的探测方法主要分为直接探测法和间接探测法。所谓直接探测法是指直接探测暗物质粒子和原子核碰撞所产生的光学、声学、电子学信号。由于发生碰撞的概率很小,产生的信号也很微弱,通常要把探测装置安装在地下深处。

暗物质的间接探测法主要是观测暗物质粒子衰变或互相作用后产生的正电子、反质子、中微子等稳定粒子。由于地球大气的影响,在地面上无法精确测定粒子的能谱,这类实验必须要在空间进行。

阿尔法磁谱仪项目实际上是一个大型粒子物理实验,首要目的是寻找宇宙中的暗物质及其起源。暗物质碰撞会产生额外的正电子,这些正电子的特征会被阿尔法磁谱仪精确地测量到。

阿尔法磁谱仪是如何制造的?

阿尔法磁谱仪主结构的主体是一个外径1.3米、内径1.15米、高0 .8米的空心高强度铝制圆柱体。永磁体呈条状插入主结构,其磁场强度高达1400高斯。

主结构由中国航天科技一院设计,磁体则由中科院电工所制造,采用的是新型高磁能积钕铁硼材料。

“阿尔法磁谱仪1”于1998年6月随美国“发现”号航天飞机升空开始科学探索,但最终没能发现反物质和暗物质。此后,科学家开始研制“阿尔法磁谱仪2”。

他们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,太空中无法补充液氦,这样磁谱仪寿命只有3年,而使用永磁体的磁谱仪的使用寿命长达18年至20年,所以专家们决定沿用永磁体。

此外,“阿尔法磁谱仪2”在“阿尔法磁谱仪1”的基础上增加了若干新的子探测器。

阿尔法磁谱仪是如何工作的?

阿尔法磁谱仪的主要本领是能够探测到太空中“流窜”的粒子。这一本领基于其强大而特殊的磁场。带电粒子进入磁场后轨迹会发生变化,不同带电粒子的轨迹变化也不同,而不带电的粒子的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暗物质等。

暗物质研究首批成果公布
诺贝尔奖得主、美籍华人物理学家丁肇中

暗物质研究首批成果公布
安装在国际空间站上的阿尔法磁谱仪(AMS)

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