AMS是在國(guó)際空間站上開展的唯一大型試驗(yàn)。圖片來源：NASA
我今年47歲，想在我有生之年能夠看到答案，但誰又知道呢?
請(qǐng)暫時(shí)不要將“發(fā)現(xiàn)什么是暗物質(zhì)”從你的宇宙學(xué)任務(wù)清單中劃去。
4月初，物理學(xué)家利用安裝在國(guó)際空間站上的價(jià)值20億美元的宇宙射線探測(cè)器——阿爾法磁譜儀(AMS)——證實(shí)了一種之前發(fā)現(xiàn)的來自太空的額外反粒子。這些粒子可能由暗物質(zhì)所發(fā)射——作為一種神秘的物質(zhì)，正是后者的引力使得星系能夠結(jié)合在一起。一旦得到證實(shí)，這一觀測(cè)結(jié)果將有助于科學(xué)家確定暗物質(zhì)的本質(zhì)。然而由重達(dá)6.7噸的AMS測(cè)量到的這些額外物質(zhì)也可能是由一顆脈沖星，抑或宇宙中的其他天體排放出的亞原子。并且判定到底哪一種解釋是正確的可能需要一些類型完全不同的試驗(yàn)，并且耗費(fèi)數(shù)年的時(shí)間。
新的物理現(xiàn)象
“現(xiàn)在的問題是，接下來該怎么辦?”并未參與AMS工作的美國(guó)大學(xué)公園市賓夕法尼亞州立大學(xué)的宇宙射線物理學(xué)家Stéphane Coutu說，“答案便是，這是一個(gè)很好的問題?！?/FONT>
作為粒子物理學(xué)家、77歲諾貝爾獎(jiǎng)獲得者丁肇中的心血結(jié)晶，在經(jīng)過了長(zhǎng)時(shí)間的醞釀之后，AMS于2011年5月16日奔向了國(guó)際空間站——這項(xiàng)國(guó)際項(xiàng)目之前曾一度被宣判“死刑”，之后又奇跡般復(fù)活。正如丁肇中于4月3日在瑞士日內(nèi)瓦歐洲核子研究委員會(huì)(CERN)的歐洲粒子物理實(shí)驗(yàn)室中所報(bào)告的那樣，從那時(shí)開始，他與AMS團(tuán)隊(duì)的347位成員一道測(cè)量了正電子的比例，以及電子和正電子的總數(shù)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)天體物理學(xué)理論，“正電子部分”應(yīng)該是很少的，并且會(huì)隨著能量的增加而減少。丁肇中報(bào)告說，事實(shí)上，AMS發(fā)現(xiàn)正電子部分從100億電子伏特(GeV)能量的5%上升至該能量35倍的15%。
這些額外的正電子可能來源于暗物質(zhì)。根據(jù)一些流行的理論，暗物質(zhì)可能包含有大質(zhì)量弱相互作用粒子，即WIMP。當(dāng)兩個(gè)WIMP相互碰撞時(shí)，它們能夠彼此湮滅，進(jìn)而產(chǎn)生一個(gè)電子—正電子對(duì)，從而使正電子部分接近50%的比例。這種額外的正電子之前曾經(jīng)有過記錄，但物理學(xué)家一直質(zhì)疑這些結(jié)果的可靠性。而Coutu和其他學(xué)者認(rèn)為，AMS的數(shù)據(jù)則證明了這些額外的正電子是真實(shí)存在的。
但它們是否來源于暗物質(zhì)呢?這些正電子其實(shí)有可能發(fā)射自一種旋轉(zhuǎn)的中子星，即所謂的脈沖星——前提是后者足夠靠近地球。丁肇中和AMS研究團(tuán)隊(duì)也都承認(rèn)存在這種可能性。在《物理評(píng)論快報(bào)》發(fā)表的一篇論文中，他們并沒有提及暗物質(zhì)便是這些正電子的來源，而是指出這是一種“新的物理現(xiàn)象”。
還有一種解釋
丁肇中表示，AMS最終能夠確定這些正電子的來源。如果這些正電子來自于湮滅的暗物質(zhì)粒子，那么它們的能量必定會(huì)受到這些粒子質(zhì)量的限制。因此在增加的能量超越一個(gè)明顯的“分界點(diǎn)”后，正電子部分應(yīng)該會(huì)驟然下跌。丁肇中指出，與此形成對(duì)照的是，如果這些額外的正電子來自于一個(gè)天體物理學(xué)源頭，則它們應(yīng)該會(huì)隨著能量的增加而逐漸消退。他說：“如果我們發(fā)現(xiàn)了一次‘暴跌’，那么這將是暗物質(zhì)碰撞的一個(gè)非常有力的例證?！倍鳤MS的數(shù)據(jù)顯示，迄今為止，正電子部分在最高能量分析下呈平穩(wěn)狀態(tài)，同時(shí)附加數(shù)據(jù)將能夠揭示它是否正在朝著懸崖走去。
然而并非所有人對(duì)此都買賬。安阿伯市密歇根大學(xué)的宇宙射線物理學(xué)家Gregory Tarlé就認(rèn)為，一個(gè)天體物理學(xué)源頭同樣也能夠形成具有急劇能量削減的粒子?！昂苋菀妆隳軌虬岩粋€(gè)臨界點(diǎn)加入到一個(gè)天體物理學(xué)模型當(dāng)中?！彼忉屨f，“你必須要做的便是限制粒子加速區(qū)的大小?！盩arlé說，即便AMS看到了一個(gè)臨界點(diǎn)，這種觀測(cè)結(jié)果依然是模棱兩可的。
英國(guó)倫敦國(guó)王學(xué)院的理論學(xué)家John Ellis指出，事實(shí)上，AMS觀測(cè)結(jié)果本身的細(xì)節(jié)可能讓它更難以根據(jù)暗物質(zhì)解釋這種額外的正電子。AMS的數(shù)據(jù)表明，正電子過剩的能量已經(jīng)超過了之前的探測(cè)能夠達(dá)到的水平。Ellis表示，這也就意味著WIMP的重量至少為300GeV或400GeV，而這改變了理論模型。他說：“AMS正在陷入繪制暗物質(zhì)的困境。是否有足夠的空間讓它堅(jiān)持下來，我不知道?！?/FONT>
另辟蹊徑
頗具諷刺意味的是，宇宙射線物理學(xué)家強(qiáng)調(diào)，盯著天空永遠(yuǎn)也無法解釋正電子過剩的現(xiàn)象。實(shí)際上，他們正在從一條不同的途徑來尋找答案，那就是利用一臺(tái)粒子加速器，例如CERN的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)。根據(jù)一些模型，應(yīng)當(dāng)有可能通過LHC制造出WIMP。Coutu和Tarlé表示，實(shí)現(xiàn)此類轉(zhuǎn)化是從AMS的觀測(cè)中贏得一個(gè)有關(guān)暗物質(zhì)的解釋所必需的。
然而解決這一切到底需要多長(zhǎng)的時(shí)間?或許用不了太久。丁肇中指出，AMS在未來的幾年中必須搜集數(shù)據(jù)，以便搞清在正電子部分是否存在一次“暴跌”。而LHC將一直關(guān)閉，直至2015年進(jìn)行修理。“我今年47歲”，Coutu說，“我想在我有生之年能夠看到答案，但誰又知道呢?”
拋開不確定性不談，對(duì)丁肇中來說，這一結(jié)果標(biāo)志著一場(chǎng)勝利，正是他堅(jiān)持要把AMS送入軌道。這一想法最早于1994年提出，而探測(cè)器于1998年由美國(guó)宇航局(NASA)的航天飛機(jī)進(jìn)行了一次試驗(yàn)飛行。但是當(dāng)NASA的“哥倫比亞號(hào)”航天飛機(jī)于2003年在返航途中解體后，這一計(jì)劃似乎被無限期地?cái)R置了，并且直至NASA開始重新考慮航天飛機(jī)計(jì)劃。然而丁肇中毫不氣餒，終于在2008年獲得國(guó)會(huì)授權(quán)，由NASA發(fā)射AMS，而美國(guó)也成為參與該項(xiàng)研究的16個(gè)國(guó)家之一。研究人員在AMS的論文中也談及了9位現(xiàn)任及前任參議員、眾議員對(duì)這項(xiàng)研究的支持。
暗物質(zhì)和暗能量是現(xiàn)代天文學(xué)和物理學(xué)最重要的謎團(tuán)之一，它們是為了解決宇宙學(xué)觀測(cè)與理論上的矛盾而提出來的。阿爾法磁譜儀的任務(wù)就是觀察暗物質(zhì)湮滅時(shí)產(chǎn)生的正電子，從而尋找暗物質(zhì)存在的證據(jù)。
1937年，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，大型星系團(tuán)中的星系具有極高的運(yùn)動(dòng)速度，然而星系的運(yùn)行速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出萬有引力公式計(jì)算出的結(jié)果，這表明除了人類已知的星系團(tuán)核心物質(zhì)對(duì)該星系的引力外，還存在其他引力。天文學(xué)家進(jìn)一步推斷，在人類已知的宇宙物質(zhì)之外，還有一種物質(zhì)存在。
此后70多年的研究、分析均表明，這一至今未被人們觀測(cè)到的物質(zhì)即“暗物質(zhì)”在宇宙中存在，而且其在宇宙中所占的份額遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目前人類可以看到的物質(zhì)。宇宙中最重要的成分是暗物質(zhì)和暗能量，暗物質(zhì)占宇宙的25%，暗能量占70%，我們通常所觀測(cè)到的普通物質(zhì)只占宇宙質(zhì)量5%。目前，只能通過其與物質(zhì)的相互作用來間接“觀察”暗物質(zhì)。
