在暗物質的“寶藏王國”尋找出入口

在國際空間站搭載的探測器接收了更多疑似暗物質的信號，從檢測到的宇宙射線信號來看，它們可能來源於神秘的暗物質，粒子探測器搜索的成果在暗物質研究領域投射了光芒。物理學諾獎得主丁肇中教授帶領的一支大型的國際科學團隊，磁譜儀探測器（AMS）的管理和運行由科學團隊負責，大約有600多名科學家參與其中，他們來自中國大陸、丹麥、芬蘭、法國、德國、意大利、韓國、墨西哥、荷蘭、葡萄牙、西班牙、瑞士、中國臺灣和美國等國家。

自從AMS實驗項目在19年前開始實施以來，科學團隊二次公佈了實驗的成果。AMS探測器的組裝在歐洲原子能中心（CERN）完成，歐洲航天局下屬的荷蘭歐洲空間研究與技術中心對探測器進行了調試。2011年5月16日，美國奮進號航天飛機把AMS探測器送上了國際空間站（ISS），AMS有強大的追蹤太空粒子的功能，其中包括了質子、電子和反物質的正電子等，AMS有前所未有的精確性，通過繪製AMS的數據表格，科學家得到了各類宇宙射線粒子流量變動的曲線圖。

阿爾法磁譜儀（AMS）國際科學合作團隊近日在日內瓦公佈了研究的成果，團隊成員分析了搭載在國際空間站的磁譜儀接收的410億個粒子數據，他們在歐洲原子能中心（CERN）舉辦的學術研討會上發佈了觀測和分析數據的成果。丁肇中教授授權中國的合作大學發佈團隊的研究成果。新一期的《物理學評論通訊》雜誌刊載了合作團隊的研究結論。科學家在宇宙射線中檢測到了過量的正電子，這爲檢驗暗物質的存在性提出了洞見。

宇宙射線在太空中通常呈現離子束的形態，離子束內的粒子主要由質子和電子組成，其中包括在空間飛馳的其它類型的粒子，比如：正電子，它是電子的反物質態同伴，簡而言之，電子和正電子的質量相同、電荷相反。有些正電子來源於宇宙射線的碰撞，但由宇宙射線碰撞產生的正電子只是反物質數量的極小部分。宇宙的反物質十分罕見，任何意義的過量反物質粒子可能被儀器記錄下來，可能預示了某種正電子的源泉，科學合作團隊在活力十足的宇宙射線中記錄了過量正電子。

AMS項目團隊分析了410億個原始宇宙射線粒子的事件，其中的1000萬個粒子事件出現了電子和正電子的信號，他們記錄了過去沒有發現的能量級，粒子的能級範圍從0、5GeV到500GeV，從8GeV的能級開始，檢測的正電子數量出現了顯著增加，正電子的導入方向沒有明顯的偏好，它們來源於太空的各個方向，在能量達到275±32GeV時，正電子的數量停止了增加。

AMS科學團隊的發言人塞繆爾·丁（丁肇中）教授解釋說，物理學家進行了近半個世紀的宇宙射線實驗，合作團隊第一次得到了正電子數量的最大值，正電子數量在某一能級出現了轉折，由上升變爲下降的趨勢，正電子佔所有電子的比例在一定的水平時不再上升，宇宙射線的正電子和電子的數量隨能量的上升而變化的趨勢並不相等。AMS科學團隊的實驗成果似乎與暗物質的幾項特徵相符合，宇宙射線中的過量正電子似乎與暗物質有關，數據分析的結果與暗物質理論的描述相符合。

過量正電子的現象也許含有某種物理學的意義，在能量截止的轉折點出現了正電子數量的下降，這一極爲重要的現象好似一種指示器，過量的正電子可能表明了暗物質粒子相互湮滅的跡象，暗物質粒子在湮滅反應中生成了電子和正電子對。檢測結果通過脈衝星之類的天體得以解釋，通過普通宇宙射線的碰撞得以證實，但暗物質屬性的理論模型和更高能級的粒子是其中的關鍵問題。在未來的幾年，科學家將要判斷過量正電子信號的來源，或者源於暗物質，或者源於宇宙射線。

歐洲原子能中心（CERN）理事長羅爾夫·霍耶爾解釋說，在磁譜儀AMS和大型強子對撞機LHC探測成果的基礎上，科學家將在過去從未有過的能級上檢測正電子的來源。在粒子物理學成果激動人心的時代，兩類大型的科學探測器取得了人類科學認知的最高水準，拓展了物理學探索的邊界。通過AMS太空實驗的結果發現，電子和正電子的流量在大約30GeV時出現了顯著的差異，在20GeV到200GeV之間時尤其明顯，正電子流量的變化率遠高於電子流量的變化率，似乎說明過量的高能正電子不是來源於高能電子數量的損失。

正負電子數量的變化率出現了差異，這有助於科學家更好地理解宇宙射線中的正電子和電子的來源，它們可能是某種未知物體發出的信號。AMS合作團隊的發言人丁肇中教授在CERN的研討會上發佈了一些有趣的檢測結果，他們在近期將會發布檢測結果的分析報告，一個有趣的檢測結果顯示，在高能的寬能級範圍，電子和正電子的聯合流量可用單一的常數項光譜指數描述，否定了之前在其它實驗中推出的一個結論，即：有某種未知的結構體。過量的正電子是否源於暗物質粒子的相互作用，科學家的最終判斷和結論有待未來多年的深入探索。

（編譯：2014-9-23）