尋找反物質(zhì)星系

唐承革

2010年，美國的航天飛機將完成它的使命，陸續(xù)退出歷史舞臺。在告別歷史舞臺的最后幾次飛行中，由于國際空間站(ISS)貨運壓力很大，還有10多項運送任務需要航天飛機來完成，美國宇航局(NASA,)決定取消一項原來計劃中的實驗——反物質(zhì)星系探測實驗。但是，鑒于此項實驗的意義重大，國會堅決要求NASA完成這項任務，并在2008年6月18日眾議院開會時，以409票支持對15票反對通過了一項提案，要求NASA額外增加一次航天飛機飛行，將阿爾法磁譜儀(AMS)運抵國際空間站，并為此次航天飛機的發(fā)射提供了1500萬美元的發(fā)射經(jīng)費。

航天飛機的這項特殊任務是將一個阿爾法磁譜儀(AMS)安裝到國際空間站上。AMS是一個高1米、直徑1米的圓柱形空心磁體，它由釹、硼、鐵合金構(gòu)成，產(chǎn)生一個0.15T的均勻磁場。AMS可以非常準確地測量高能宇宙射線，當它安裝在空間站的構(gòu)架上時，將有宇宙中的各種粒子涌入傳感器，磁體內(nèi)鑲著疊成6層的一系列硅探測器，這時記錄有關(guān)數(shù)據(jù)，再用電子計算機進行數(shù)據(jù)處理，從而確定是否有反質(zhì)子、反氦核乃至反碳核穿過。

AMS實驗是人類第一次在太空中使用磁譜儀進行的粒子物理研究，這個大膽設想是十多年前著名的高能物理實驗科學家、諾貝爾獎獲得者丁肇中教授提出的，是一項大型的國際性科研課題，參加國有美國、中國、俄羅斯、意大利、瑞士、德國、芬蘭等16個國家和地區(qū)的56個研究機構(gòu)，參與的科學家約500人。中國科學院電工研究所、高能物理研究所和中國運載火箭技術(shù)研究院及一些大學參加了這項重大的國際科學研究的合作項目，并負責研制AMS的最關(guān)鍵任務。阿爾法磁譜儀實驗包括三大主要物理目標：尋找宇宙中的反碳核、反氦核及其他更重的反核來確定宇宙中是否存在反物質(zhì)；尋找宇宙中可能存在的暗物質(zhì)；精確測量宇宙中各種同位素的豐度和高能Y，并探索未知的物理現(xiàn)象。

反物質(zhì)量系

如果我們將自然界繽紛多樣的宏觀物體還原到微觀本質(zhì)，它們都是由質(zhì)子、中子和電子組成的，這些基本的粒子都可以分成為正、反兩種，正粒子與反粒子的結(jié)構(gòu)相同，但電性和磁性恰好相反。組成我們周圍世界的物質(zhì)的原子核是由質(zhì)子和中子組成，帶正電；而反物質(zhì)的原子核是由反質(zhì)子和反中子組成，帶負電荷。正物質(zhì)和反物質(zhì)間的關(guān)系很古怪，是勢不兩立的“敵人”，它們一旦相碰就會同歸于盡，化成一陣y射線暴，此過程稱為湮滅。

為什么我們在日常生活中接觸不到反物質(zhì)呢?這是因為人類是生活在一個正物質(zhì)的世界里，我們接觸到的所有物質(zhì)都是正物質(zhì)，組成這些物質(zhì)的原子核帶正電，電子帶負電。只有通過科學研究才能發(fā)現(xiàn)或制造出極少的反粒子。人類是在20世紀30年代初才發(fā)現(xiàn)了有帶正電的電子，這是人們認識反物質(zhì)的第一步。到了50年代，隨著反質(zhì)子和反中子的發(fā)現(xiàn)，人們開始明確地意識到，在自然界中任何基本粒子都有其相應的反粒子存在，只是在我們的世界里，這些反粒子很少，成不了氣候，也構(gòu)成不了反物質(zhì)。

那么，在浩然的宇宙中有沒有反物質(zhì)?有沒有反物質(zhì)組成的反恒星和反星系?這是物理學家和天文學家關(guān)心的問題。一些物理學家認為在宇宙誕生后的第1秒內(nèi)，物質(zhì)和反物質(zhì)都沒有被對方完全消滅，他們在宇宙中占據(jù)了各自的地盤，因此推測在宇宙的某個空間，可能潛伏著反物質(zhì)，形成反恒星、反星系，甚至是反生命。

但是，從今天觀測到的結(jié)果得出結(jié)論：在3000萬光年的范圍內(nèi)不會有巨大的反物質(zhì)星系存在，理由是：

▲月亮是離我們最近的天體，人類已經(jīng)登上了月球。如果月球是由反物質(zhì)組成的，那么登月的航天員在與月球接觸時，湮滅過程早已把他轉(zhuǎn)化為介子了。

▲太陽也不可能是反物質(zhì)星體，若太陽是反物質(zhì)恒星，太陽風就由反原子組成，它吹到行星上，就會和行星的正原子相湮滅，于是正物質(zhì)組成的行星會逐漸消失。事實證明這種消失過程沒有發(fā)生，說明整個太陽系中沒有反物質(zhì)天體。

▲在千億個恒星構(gòu)成的銀河系里也沒有反恒星。這是因為現(xiàn)在從地面上接收到的宇宙射線粒子中，反質(zhì)子僅是質(zhì)子的萬分之幾，并且這少量的反質(zhì)子是高能粒子碰撞的次級產(chǎn)物，并不是原始的。此外，宇宙射線中有很少的a粒子(即氦核)，但反a粒子卻一個也沒有發(fā)現(xiàn)過，這些事實說明原初的宇宙射線是由正物質(zhì)組成的。同時，現(xiàn)在也沒有發(fā)現(xiàn)正反星系相撞產(chǎn)生的Y射線。于是得出結(jié)論：在3000萬光年的范圍內(nèi)不會有巨大的反物質(zhì)星系存在。

在這樣的結(jié)果面前，人們的看法分成了兩種。一種認為宇宙中正反物質(zhì)應當是等量的，需要的是從更遠處去尋找反物質(zhì)星系存在的證據(jù)。據(jù)丁肇中的看法，反物質(zhì)可能統(tǒng)治著本星系群外的某些空域，它們是如此遙遠，以致其特征性湮滅信號十分微弱，難分真?zhèn)巍Ｒ虼?，研制更精確的儀器來俘獲這些信號及將其放在太空，避免其他干擾是研究反物質(zhì)星系的好方法。另一種認為事實已暗示，宇宙中沒有大量的反物質(zhì)存在，需要的是從宇宙的演化中去尋找造成今天沒有反物質(zhì)的原因。在國際空間站上安置AMS儀可以對此兩種看法做出結(jié)論。

探測宇宙射線非丁肇中的首創(chuàng)，半個多世紀之前，科學家就開始了對宇宙線的研究。不過地面探測只能抓捕到所謂二次粒子，是宇宙射線跟地球大氣中的原子核發(fā)生碰撞后產(chǎn)生的粒子碎片，從它們身上只能揭示出原始宇宙線的能量，卻看不到它的本來面貌。1979年，美國科學家把一個有60層樓高的巨大氣球放到離地面35千米的高空，氣球上載有一批十分靈敏的探測儀器，但因停留的時間太短，僅幾個小時，只獵取了28個反質(zhì)子。盡管如此，這是在地球以外第一次發(fā)現(xiàn)的反物質(zhì)，意義非凡。這次丁肇中要做的是太空實驗，就此而言，可說是首創(chuàng)。丁肇中認為，AMS成功的可能性很大，因為太空實驗沒有地面、高空(氣球)探測所固有的缺點。AMS能把原始宇宙線與大氣碰撞之前即將其抓獲，從而能見到其廬山真面貌。另一方面它又能長期滯留在空間，對大量的宇宙粒子舉行篩選，獲得反粒子的機會更大。

重大意義

為什么美國國會如此“開恩”，專門為運送AMS而特批增加航天飛機飛行次數(shù)和經(jīng)費呢?這是因為AMS實驗將有可能成為解決宇宙中是否存在反物質(zhì)和暗物質(zhì)兩個科學難題的最好方法。根據(jù)目前公認的大爆炸學說，宇宙是由大約在150億年前的大爆炸產(chǎn)生的。大爆炸應該產(chǎn)生同樣數(shù)量的物質(zhì)和反物質(zhì)?？善駷橹?，沒有觀察到在宇宙中有反物質(zhì)存在。宇宙中究竟是否存在反物質(zhì)?這是目前粒子物理學家和天體物理學家關(guān)注的焦點之一，探測反物質(zhì)的關(guān)鍵是必須把一個強有力的磁探測器送入太空，以測量宇宙中原子核的電荷。幾十年來，物理學家提出過各種方案企圖將磁譜儀送入太空，但由于無法制造一個可以在太空運行的磁鐵而未能如愿?，F(xiàn)在，中國研制的磁譜儀完全能滿足AMS實驗在空間運行的要求，并能精確地檢測到反粒子。如果阿爾法磁譜儀的觀測證實了遠處有巨大的反物質(zhì)區(qū)存在，那么這肯定是一個里程碑式的發(fā)現(xiàn)。它的意義不僅證實了宇宙中有反物質(zhì)天體，更重要的是它對物理學提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。

當今天體物理和宇宙論的另一大難題是尋找暗物質(zhì)。AMS的另一個功能是有助于解答暗物質(zhì)的特性?？茖W家們已經(jīng)知道宇宙中的大部分是由看不見的暗物質(zhì)組成，但他們不知道暗物質(zhì)是什么。為此，科學家們提出了各種各樣的理論，因為沒有事實根據(jù)，誰也說服不了誰。其中獲得大多數(shù)人認可的理論是：暗物質(zhì)是由一種特殊的粒子組成，這種粒子之間發(fā)生碰撞將產(chǎn)生大量的高能正電子，可以通過AMS是否采集到宇宙中的大量正電子來確定暗物質(zhì)是否由這種粒子構(gòu)成的。因此，AMS有望解開困擾物理學家數(shù)十年的暗物質(zhì)之謎。

阿爾法磁譜儀還能對宇宙中其他各種同位素的相對豐度進行精確的測量，這些測量結(jié)果將能回答宇宙論和天體物理學中的許多重大問題。作為人類送入太空的第一個磁譜儀，這個實驗很可能會有意外的重大發(fā)現(xiàn)。因此，阿爾法磁譜儀引起了世界各國科學家的極大興趣。它是目前在阿爾法空間站上計劃的唯一的大型科學實驗。