阿尔法磁谱仪首席科学家丁肇中报告最新进展

来源:仪器GO 作者:郭世杰 2018-09-27 16:43

NASA网站20161213日报道,安装在ISS上的“阿尔法磁谱仪-02”(AMS-02的首席科学家、诺贝尔物理学奖获得者、MIT物理学教授丁肇中128日在AMS总部——欧洲核子研究中心(CERN)的讨论会上报告了AMS的最新进展,并总结了实验运行5年以来取得的主要科学发现

AMS-02重约17000磅(约合7.7吨),2011519日被机械臂安装在ISS上,目前已经收集了超过900亿条宇宙线的数据,目前8篇主要实验结果被发表在期刊Physical Review Letters。通过以前所未有的精度测量宇宙线中正电子的比例,反质子-质子比,以及电子、正电子、质子、氦核等粒子的通量,AMS改变了人类对宇宙线的认识,包括:

1)宇宙中正反物质的不均衡。AMS-025年间探测到37亿个电荷为+2的氦核,以及若干电荷为-2、质量在3He范围内的粒子AMS科学家并未宣称探测到了反氦核,但是他们无法排除这“一小部分”候选事件。由于物质和反物质粒子是成对产生的,科学家认为宇宙大爆炸应当产生了数量相同的正反物质。但是因为数量相同的正反物质会互相湮灭,所以现在正反物质应该是不均衡的,否则我们就不会存在。目前被广泛接受的一种理论认为,非常早期的宇宙中发生的物理过程更有利于正物质,所以造成了正反物质不均衡;另一种理论则认为目前宇宙中仍存在大量反物质,只不过它们尚没有机会与正物质相互碰撞。若AMS能探测到较重的反物质核宇宙线,就会给后一种理论的证明提供线索。

2)宇宙线中的正电子可能来自暗物质。宇宙线可由多种粒子组成,例如电子或其对应的反物质——正电子。在之前的探测中,AMS探测到了数目惊人的正电子,且能量范围接近AMS探测能力的上限。这种过量的反物质粒子可能由暗物质颗粒之间的碰撞产生。美国Kavli粒子物理与宇宙学研究所(KIPAC)的理论天体物理学家Roger Blandford说,暗物质并不是唯一的可能因素,因为传统的天体物理学现象也能产生同样的信号,其中脉冲星(Pulsar)是特别难以排除的来源。丁肇中介绍,AMS科学家预期在2024年前收集足够的数据来更好地判断这一问题。

3)对宇宙线年龄的推算。当宇宙线粒子以接近光速运动时,根据相对论效应,它们的寿命会延长。在即将公布的一项AMS研究成果中,科学家研究了宇宙线中铍的同位素的寿命,借此估算出这些宇宙线的年龄大约是1200万年。

4)宇宙线传播的路径中可能存在湍流。Roger Blandford说,尽管宇宙线的理论和观测都取得了很大进展,但是我们仍尚不清楚宇宙线是如何从它们的源(主要是超新星遗迹)传播到地球的。当宇宙线之间相互碰撞时可产生不同成分的次级宇宙线,其中硼元素主要存在于次级宇宙线中。在最近发表的一项研究中,科学家通过研究宇宙线中不同能量级别的硼和碳元素的比例,发现了宇宙线通向地球的路径中可能存在湍流的证据。

此外,在一项尚未发表的分析中,科学家发现AMS对锂和氦原子核的比例的测量结果与理论预测并不十分匹配,这可能意味着科学家对宇宙线的假设需要重新审查。

AMS-02外,近期观测宇宙线的空间任务还包括由日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)开发、20158月发射至ISS的“量热仪型电子望远镜”(CALET),其目标是研究暗物质;NASA“宇宙线能量和质量”(CREAM)实验在2017年中期发射到ISS,其携带的仪器将测量从氢到铁原子核的宇宙线,覆盖很宽的能量范围.