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反物質去哪了?

反物質去哪了?

在丁肇中的倡導下,第一代阿爾法磁譜儀AMS-01在1998年6月由「發現號」太空梭送入太空,這個相對簡單的探測器證明了在太空中進行粒子探測的可能性,但並沒有探測到任何反氦原子核。經過AMS-01的雛形之後,由美國能源部及十幾個國家共同投資,來自56家機構的500多名科學家共同參與設計的升級版本AMS-02,在2011年由「奮進號」太空梭送往太空。2011年5月19日,宇航員們操縱一個機器手臂把這個1立方米大小、重達8.5噸的巨大磁體安裝在了國際空間站的外側,進行太空粒子探測。

幾年的時間過去,在美國航空航天局關於阿爾法磁譜儀的實時網頁上顯示,這個機器已經在太空中工作了2100多天,探測了宇宙空間中超過1000億個粒子。被AMS-02捕捉到的絕大多數都是質子和氦原子核,也有一些自由電子、碳原子核、氧原子核和鐵原子核,另外還有極少的反質子和正電子(分別是質子和電子的反粒子)。丁肇中最為關心的是AMS-02探測到的各種反粒子,這正是他當年提議和設計阿爾法磁譜儀的初衷,希望能夠理解為什麼在宇宙中物質占絕對多數,而反物質則極其稀有。另外,丁肇中認為這些反粒子的能量和來處,可能為人類尋找暗物質提供線索,因為這些反粒子可能就是某種暗物質粒子的產物。

這個花費了15億美元的探測項目所探測到的零星反物質粒子,此前並沒有在物理學界引起太大反響。與丁肇中的意見不同,很多物理學家認為這些反粒子只不過是宇宙中一些人們已經司空見慣的天文現象所產生的副產品罷了,如脈衝星、超新星爆發,都可能產生出大量的反物質,不足為奇,起碼以目前的天文學理論都能做出可行的解釋。

但是AMS-02的另外一些發現卻可能完全改變人們對這個項目的看法。在幾年間探測到的上千億個粒子之中,有「四五個」粒子信號引起了丁肇中的注意——AMS-02有可能首次在太空中探測到了反氦3原子核,一種由兩個反質子、一個反中子形成的反物質原子核。儘管丁肇中還沒有正式就這個發現發表科學論文,但一旦確認了在茫茫宇宙中存在這種極為稀少的原子核,一定會讓眾多的物理學家和天文學家感到激動,並且開始正視阿爾法磁譜儀項目的意義,這為人類在宇宙中尋找反物質提供了新的思路。阿爾法磁譜儀AMS-02在2011年由「奮進號」太空梭送入太空

2016年12月8日,AMS-02項目發布了阿爾法磁譜儀進行探測的第一個五年數據總結。在列舉了各種數字和圖表之後,報告只在接近結尾處輕描淡寫地提了一句,在5年的探測中,大概每一年都會有一個反氦原子核的疑似信號。隨後在2016年12月12日,丁肇中在歐洲核子中心做了一個關於阿爾法磁譜儀進行宇宙射線探測數據的報告。在報告中,他同樣沒有明確承認AMS-02發現了反氦原子核,只是含糊地表明,「還沒有排除幾個有可能的信號」——這種表述,加上隨後幾個月的各種傳聞,已經足以在物理學界引發熱潮。當年的AMS-01沒有發現反氦原子核,相比之下AMS-02的靈敏度提高了1000倍。尋找反氦原子核正是阿爾法磁譜儀項目最重要的目標之一,發現反氦原子核的意義與發現反質子或正電子完全不同。

目前,人類還沒有任何宇宙學模型可以解釋,何以在宇宙空間中能夠出現反氦原子核——現在人們所理解的宇宙學現象都只能產生反質子或是正電子。如果發現反氦原子核最終得到證實,那麼人們不得不開始考慮,是否就在宇宙的某處,和人們所熟悉的由物質構成的世界類似,還存在著一個由反物質主導的世界,在那個世界里又會偶爾有極少部分的反物質粒子逃離,經過長途跋涉來到太陽系,最終被阿爾法磁譜儀所捕獲。

根據標準宇宙學模型,在最初的宇宙大爆發過程中產生了等量的物質與反物質,這兩種物質一旦相遇就會互相湮滅,轉化為能量。但是隨著宇宙範圍的擴大,這兩種物質逐漸分離,不再發生湮滅。問題在於,宇宙何以演變為現在人們所感知的,由物質主宰的宇宙?反物質都去哪了?有一種理論認為,早期的宇宙更傾向於物質,因此更多的物質留存了下來,也有可能反物質逐漸轉化為物質,逐漸演變成現在的宇宙,但是此中的細節並不清楚。也始終有一種觀點認為,在宇宙的某處,必定還聚集著大量的反物質。

如果在宇宙的某處,同樣存在著由反物質所主宰的世界,那麼物質世界與暗物質世界遲早會相遇,在這兩種物質相遇的界面,就必定會產生出大量的、劇烈的伽馬射線。人類至今為止還沒有觀測到這種射線的存在。因此,斯坦福大學的物理學家羅傑·布蘭福德(Roger Blandford)認為,幾乎沒有可能在宇宙中發現全部由反物質構成的星系。但是反氦原子核的存在一旦得到確認,必將使全世界的物理學家都開始反思宇宙中是否存在某處大量反物質的聚集地。

丁肇中以一貫謹慎的態度對待AMS-02發現的這幾個反氦原子核信號。他首先需要查明這並不是來自於機器錯誤,例如因為大量粒子進入探測器引起機器的誤判。或許最終時間會給出答案:AMS-02至少還會在國際空間站工作至2024年。如果宇宙中確實存在反氦原子核,那麼在剩下的幾年時間裡,阿爾法磁譜儀必定還會做出更多的發現。

這樣一個耗資巨大、耗時又長的太空探測項目,在多年的探測過程中並沒有太多驚人的發現,越來越多的科學家都逐漸對它失去興趣,認為這可能是一個失敗的項目。但丁肇中多年來一直堅持這個計劃,在獲得值得注意的線索時,他又以一貫的謹慎態度不輕易下定論。人類科學有時正是在不斷的堅持之下,以一種令人意想不到的方式,在人們意想不到的領域取得突破。

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