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丁肇中团队发现宇宙中“暗物质”存在的线索

2013年04月04日来源:新华网编辑:唐彩红我有话说

人类对暗物质的理解和检测实现新进展。日内瓦时间4月3日下午5点(北京时间4月4日零点),诺贝尔物理奖获得者丁肇中教授在日内瓦欧洲核子中心,首次公布其领导的阿尔法磁谱仪(AMS)项目18年之后的第一个实验结果——已发现的40万个正电子可能来自一个共同之源,即脉冲星或人们一直寻找的暗物质。

    按照合作协议,丁肇中教授通知负责AMS项目热系统工程的山东大学程林教授,在济南进行同一文稿的中文发布。

    目前,寻找暗物质粒子、研究暗能量的物理本质、探索宇宙起源及演化的奥秘、结合粒子物理和宇宙学的研究已成为21世纪天文学和物理学发展的一个重要趋势。诺贝尔物理学奖获得者李政道教授曾多次指出:“暗物质是笼罩20世纪末和21世纪初现代物理学的最大乌云,它将预示着物理学的又一次革命。”

  暗物质不发光,也就是不发出电磁波,所以看不见,但与通常物质一样,暗物质有引力作用。这个引力效应让天文学家在宇宙空间发现暗物质占宇宙的23%,另外73%是暗能量。而组成我们身边这个世界的常规物质只占4%。虽然人们早已经猜测到暗物质可能存在,但一直以来从未明确探测到暗物质粒子,因此,还不能确定暗物质的性质。

  丁肇中团队使用的阿尔法磁谱仪(AMS),是安置于太空中的精密粒子探测装置,是目前灵敏度最高,也是最复杂、最昂贵的一台暗物质探测设备,代表了当今科学实验的最高技术手段,由16个国家和地区的600余名科学家历时近18年完成,耗资21亿美元,实验过程可能持续15至20年。

  在此之前,在不同的实验上都看到了一些“反常”迹象,人们怀疑这些就是暗物质的信号。但是,由于实验的灵敏度还不够,这些迹象都还无法确认为暗物质的信号。

  2011年5月16日,AMS搭乘美国“奋进”号航天飞机的最后一个航班,送入太空,在未来20年内,这个实验是国际空间站上唯一的大型科学实验。丁肇中曾说:“这将使我们能够直至宇宙的边缘寻找反物质宇宙的存在。”

  在太空运行的第一年,AMS已经收集了160亿个宇宙线数据,远远超过了上个世纪收集到的宇宙射线数据的总和。

  2011年5月19日放置至今,AMS已观测311亿个宇宙射线,其能量高达数万亿电子伏特。宇宙射线信号传送到地面,由AMS实验项目组分析。

  从2011年5月19日至2012年12月10日的前18个月的太空实际探测运转中,AMS分析了250亿个初级宇宙射线。其中,科学家们确认了680万个电子及其反粒子——正电子的事例。

  由AMS探测的超过40万个正电子,是当前最多的在太空中直接观测、分析的高能量反物质粒子。

  丁肇中团队的第一个实验结果认为,高能的正电子不是来自空间某个特定的方向,这些特性表明了新物理现象的论据。这次研究成果在丁肇中看来是朝着人类认识暗物质方向前进的重要一步,但不是最终答案。“我们需要更多的统计量来研究,目前的结果是基于预期收集总数据量的约十分之一的数据。”

  由于AMS的精确度及可用之高的统计量,AMS磁谱仪被科学家认为有能力探索新物理。

  曾与丁肇中一起工作的山东大学泰山学者特聘教授、粒子物理学家王萌认为,这是粒子物理和高能物理界期待很久的实验结果。他相信,随着AMS最终发布的数据,将能最终澄清能谱是来源于暗物质粒子的碰撞还是银河系的脉冲星。

  在AMS项目中,热系统是最关键的部分,因为AMS探测器的温度波动必须保持在1摄氏度之内,然而由于地球和太阳的相对运动以及地球的自转等因素,AMS的温度环境每天都在发生改变。

  山东大学领导了AMS热系统构建的所有进程。山东大学程林教授作为AMS热系统总负责人,全面承担了设计、组装和太空验证AMS整个热系统的全部工作。

  在今天的发布会上,程林教授说,在工作18年后,这是AMS项目给大家的一个交代,是标志性的成绩,相信会有越来越多的论文发表,也许不会再等待18年,也许18个月就有新成果发布。

  他希望,合作伙伴有机会通过这个项目获得诺贝尔物理学奖。(记者郑燕峰)

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