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中国科学家加入了寻找反物质的征程

时间:2022-02-13 理论教育 版权反馈
【摘要】:人们在自然界寻找反物质还是没有终止。值得大书特书的是以丁肇中为首席专家的阿尔法磁谱仪探测项目,目的是去太空寻找反物质。中国水利水电科学研究院承担了对机械结构强度的试验。我国上海应用物理研究所的科学家参加了相关的研究工作。有趣的是,该项目的首批重要成果却是宣布可能发现了暗物质的证据。山东大学授权在4日零时宣布,AMS已发现超过40万个正电子,这些正电子有可能来自于脉冲星或者人类一直寻找的暗物质。

人们在自然界寻找反物质还是没有终止。人们不断地通过各种探测手段,如发射各种探测卫星、天文望远镜、γ射线探测器等,寻找自然界中的反物质。

1997年,美国人在银河系就发现了一个比较强大的反物质的喷射。值得大书特书的是以丁肇中为首席专家的阿尔法磁谱仪探测项目,目的是去太空寻找反物质。

1998年6月2日,美国“发现”号航天飞机携带阿尔法磁谱仪发射升空。该仪器的核心部分由中国科学家制造,是当代最先进的粒子物理传感仪,阿尔法磁谱仪这次随“发现”号上天,尽管没有发现反物质,但采集存贮了大量珍贵的科学数据。原计划2002年将它送上国际空间站,进行长达3年的数据采集工作,探索反物质。但是由于种种原因,一直到2011年5月16日,才由美国“奋进”号航天飞机携带着阿尔法磁谱仪,从佛罗里达州肯尼迪航天中心发射升空,前往国际空间站。人们对此次探索充满期望,因为此次探测器的灵敏度要高于此前的探测器的104~105倍。

阿尔法磁谱仪

阿尔法磁谱仪重达6700千克,是一个由美国麻省理工大学丁肇中教授构思建造的物理探测仪器。他所带领的高能物理团队将30多年来的经验推向太空。阿尔法磁谱仪将依靠一个巨大的超导磁铁及六个超高精确度的探测器来完成它搜索的使命,在国际空间站的主构架上被放置三年,远离大气层以保证不受干扰,并充分利用国际空间站上的系统来采集数据。阿尔法磁谱仪电磁量能器,能够测量能量高达太电子伏级的电子和光子,是寻找暗物质的关键探测器。

参加阿尔法磁谱仪国际合作的中国单位包括中国科学院电工研究所、上海交通大学、东南大学、山东大学中山大学,以及中国台湾的“中央研究院”物理研究所、“中央大学”、中山科学研究院等。其中,中国科学院高能物理研究所和中国运载火箭技术研究院与法国、意大利的两个单位合作,研制了阿尔法磁谱仪电磁量能器。该项目首席科学家是丁肇中。这一项目投入达20亿美元,研究人员来自美、欧、亚三大洲16个国家和地区的56个研究机构,是继人类基因组计划、国际空间站计划和强子对撞机计划之后的又一个大型国际科技合作项目。

整个探测器的机械结构的设计、制造和环境试验是由中国运载火箭技术研究院承担的,精度非常高,能达到航天飞机在起飞和着陆时对机械结构强度的十分苛刻的要求。中国水利水电科学研究院承担了对机械结构强度的试验。1998年6月,安装了各种探测仪器的阿尔法磁谱仪在航天飞机上进行了为期10天的飞行,获得了大量的科学数据。同年12月由原航天总公司科技委对AMS主结构进行了技术鉴定,鉴定认为:阿尔法磁谱仪主结构的成功研制开创了中国航天技术进入国际高能粒子物理研究领域的先例,主结构在薄壳结构设计分析、制造工艺和地面试验方面达到了国际先进水平。

阿尔法磁谱仪进行大型粒子物理实验,将具体观测太空中高能辐射下的电子、正电子、质子、反质子等。期望探测到有几种理论物理学家预测的新粒子,并得到粒子和它们远方的天体来源的宝贵信息。结果有可能解答关于宇宙大爆炸一些重要的疑问,例如“为何宇宙大爆炸产出如此少的反物质?”或“什么物质构成了宇宙中看不见的质量?”让我们期待阿尔法磁谱仪在探测反物质和暗物质等方面的好消息吧!

LHCb实验将寻找物质与反物质之间的差异,帮助解释大自然为何如此偏向。此前的实验已经观察到两者之间的些许不同,但迄今为止的研究发现还不足以解释宇宙中的物质和暗物质为何在数量上呈现出明显的不均衡。

在20世纪90年代以前,所有粒子的反粒子都发现了,这表明电荷共扼原理是正确的。但是反质子、反中子和反电子是否可以像质子、中子、电子那样结合起来就形成了反原子呢?如果反原子,进而反分子和反物质存在,那么在原则上,我们就无法排斥反世界存在的可能性。

好消息首先从欧洲核子中心传来,1995年5月,科学家们利用氙原子与反质子对撞,成功产生9个反氢原子,这是世界上首次人工合成反物质。此前人们还只能说“看到”反粒子,现在凭借着自己的智慧“创造出”反物质。反物质世界正在向我们招手。

1995年欧洲核子研究中心的科学家在实验室中制造出了世界上第一批反物质——反氢原子,揭开了人类研制反物质的新篇章。

1996年,美国的费米国立加速器实验室成功制造出7个反氢原子。

1997年4月,美国天文学家宣布他们利用伽马射线探测卫星发现,在银河系上方约3500光年处有一个不断喷射反物质的反物质源,它喷射出的反物质形成了一个高达2940光年的“反物质喷泉”。

1998年6月2日,美国发现号航天飞机携带阿尔法磁谱仪发射升空,没有发现反物质,但采集了大量富有价值的数据。同年,费米实验室产生了57个反原子。

2000年9月18日,欧洲核子研究中心宣布他们已经成功制造出约5万个低能状态的反氢原子,这是人类首次在实验室条件下制造出大批量的反物质。

2004~2007年,美国费米实验室RHIC-STAR实验装置采集到大量的反超氚核的事例,这是人工制造的反奇异夸克物质。我国上海应用物理研究所的科学家参加了相关的研究工作。有关工作不仅深化了人们对反物质的认识,也给科学家在宇宙中直接寻找反物质提供了第一手的数据,为探索中子星的内核提供了宝贵的科学资料。

2010年11月下旬,阿尔法国际合作组宣布,反氢原子研究成功。

因为物质与反物质的湮灭时质量可完全转换成能量,带来最大的能源效率,且单位产量是核能的千百倍或常规燃料的亿兆倍,例如:1克反粒子与1克正粒子相遇后,所发生的湮灭反应将释放出相当于4万吨TNT的能量,这些能量转换成电力后足够5000户家庭使用一年。人们自然想到,正、反粒子的湮灭可能是新能源的有效途径,主要用于在太空航天中的燃料补给,甚至作为反物质武器。但是由于目前人为制造反物质的方式,是由加速粒子打击固定靶产生反粒子,再减速合成的。此过程所需要的能量远大于湮灭作用所放出的能量,且生成反物质的速率极低,因此尚不具有经济价值。此外,不带电的反物质无法以磁场束缚,保存上也是一大问题。

有趣的是,该项目的首批重要成果却是宣布可能发现了暗物质的证据。2013年4月4日,由丁肇中主持、山东大学参与的AMS(阿尔法磁谱仪)项目在历时18年之后公布第一个实验结果。山东大学授权在4日零时宣布,AMS已发现超过40万个正电子,这些正电子有可能来自于脉冲星或者人类一直寻找的暗物质。

AMS是由丁肇中主持的国际重大科学工程,主要用于探测宇宙外层空间反物质与暗物质。山东大学于2004年参加AMS项目,山东大学热科学与工程研究中心主任程林教授全面负责AMS热系统的研究、设计、制造与实验。

根据山东大学授权发布的数据,从2011年5月至2012年12月,AMS在太空实际运转中探测到超过40万个正电子。实验结果显示,在5亿~100亿电子伏区间内,正电子占正电子和电子总和的比值随能量的增加而减小;在100亿~2500亿电子伏的区间内,比值递增;到2500亿电子伏之后,比分曲线基本变平。

实验结果还表明,正电子比值能谱没有随时间改变,同时高能正电子不是来自空间某个特定的方向。程林说:“这些特征是新物理现象的论据。未来延伸到更高能量层面的研究之后,将确定这些正电子是来自暗物质粒子的碰撞还是银河系中的脉冲星。”

实验还验证了此前科学界对初级宇宙射线中正电子的研究,但是收集的数据量远超过此前的实验,精确度更高。据程林介绍,目前收集到的数据仅仅为预期总数据的1/10。他说:“随着AMS持续运行,收集到的数据会越来越多,实验结果也会更加精确,我们对暗物质的来源及其他物理现象可以有更好的了解。”

我们提醒读者,判断反物质的有无或者多少,最重要的是寻找和研究宇宙中中微子的能量和其他特征,因为反物质和物质湮灭时,会产生大量高能的中微子流。总而言之,我们宇宙中物质与反物质的分布和数量是严重不对称的,这是实验观察所证实的。这种不对称原因在于我们的宇宙存在CP不对称,中微子的特征与这种不对称的形成看来是存在直接的联系。我们在后面将详细介绍,这种CP不对称是属于所谓对称性的自发破缺,造成自发破缺的正是这两年科学界炒作的热火朝天的上帝粒子——希格斯粒子。那么什么是CP不对称性呢?

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