阿爾法磁譜儀在國際空間站上五年的結(jié)果

李世昌　許偉偉　翁致力　謝彩秀

阿爾法磁譜儀（Alpha Magnetic Spectrometer，AMS）已在國際空間站（International Space Station，ISS）上運(yùn)行五周年，近日AMS合作組發(fā)布了五年以來的主要科學(xué)成果。

AMS是在太空運(yùn)行的粒子物理探測器。AMS的獨(dú)特之處在于，它在空間直接對宇宙中的帶電粒子和核子進(jìn)行測量。相較于以往的實(shí)驗(yàn)，AMS極大地提高了測量的準(zhǔn)確度和精確度。AMS運(yùn)行時間長，接受度大，探測器系統(tǒng)冗余可靠，并在歐洲核子研究組織（CERN）進(jìn)行了細(xì)致的束流測試。這些特點(diǎn)保證AMS的測量精度達(dá)到1%的水平。自從2011年5月安裝在國際空間站上以來，AMS已經(jīng)收集了超過900億宇宙線事例，并在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上發(fā)表了主要結(jié)果。這些精確的數(shù)據(jù)要求物理和天文學(xué)家創(chuàng)造出全新的模型來進(jìn)行解釋。

宇宙線分為兩種：初級宇宙線和次級宇宙線。初級宇宙線由超新星爆發(fā)產(chǎn)生，它們在到達(dá)AMS之前已經(jīng)在星系中穿行幾百萬年。次級宇宙線由初級宇宙線與星際物質(zhì)（interstellar media，ISM）的相互作用產(chǎn)生。處于國際空間站上的獨(dú)特位置，AMS利用其精確的探測器對宇宙線的電荷、能量和動量進(jìn)行測量，以更深刻地了解暗物質(zhì)，尋找原初大質(zhì)量反物質(zhì)，測量初級與次級宇宙線的特征以及搜尋潛在的新物理現(xiàn)象。這些都是現(xiàn)代物理研究中的基本問題。

AMS簡要介紹

AMS是由美國國家航空與航天局（NationalAeronautics and Space Administration，NASA）及能源部共同支持，由美國、中國海峽兩岸、德國、意大利、西班牙、瑞士、法國和俄羅斯等15個國家和地區(qū)共同參加的國際合作項目。

AMS探測器在位于日內(nèi)瓦的CERN組裝，在歐洲空間局（European Space Agency，ESA）位于荷蘭的測試基地進(jìn)行空間資格測試。在CERN，利用不同的粒子束流對探測器進(jìn)行了全面的測試和校準(zhǔn)。這些測試的結(jié)果為探測器在國際空間站上的運(yùn)行提供了重要的參考標(biāo)準(zhǔn)。

作為“奮進(jìn)號”航天飛機(jī)的最后一次任務(wù)，AMS探測器于2011年5月16日被送上國際空間站。安裝在空間站上后，AMS開始收集宇宙線事例，并把數(shù)據(jù)傳到運(yùn)作控制中心。運(yùn)作控制中心設(shè)立在CERN，另有一個亞洲運(yùn)作控制中心設(shè)立在臺灣。

AMS五年里共收集了超過900億宇宙線事例。在國際空間站的壽命時間內(nèi)，AMS將會測量到數(shù)千億宇宙線事例。數(shù)據(jù)分析在位于CERN的科學(xué)運(yùn)行中心和合作單位進(jìn)行。AMS的科學(xué)目標(biāo)包括：尋找反物質(zhì)和暗物質(zhì)，探尋宇宙線起源。在這五年里，AMS合作組對宇宙線中的基本粒子與核子進(jìn)行了精確測量。

基本粒-y-測量

宇宙中有數(shù)百種帶電基本粒子。其中的四種——電子（e'），質(zhì)子（p），正電子（e+）以及反質(zhì)子（p）具有無限長壽命，可以在宇宙中一直傳播。電子和正電子的質(zhì)量比質(zhì)子和反質(zhì)子小，在穿過星際磁場中會損失更多的能量。

近一百年來，有很多對電子、正電子和質(zhì)子流強(qiáng)的測量。這些測量的誤差很大，從而導(dǎo)致了很多不同的理論模型。目前，AMS的精確測量揭示了與以往實(shí)驗(yàn)結(jié)果所不同的新信息，這改變了物理學(xué)家對宇宙線的認(rèn)識。

通過對1650萬電子和108萬正電子的測量，AMS結(jié)果表明：電子流與正電子流的強(qiáng)度不同，且隨能量變化的行為也不一樣。在AMS以前，宇宙線的流強(qiáng)被描述成冪律φ=cE^γ。其中，E為能量；γ是電子和正電子的能譜指數(shù)，是常數(shù)。但是，AMS的測量顯示γ并不是常數(shù)。

在600億電子伏以上，正電子、質(zhì)子和反質(zhì)子的流強(qiáng)顯示出一樣的隨剛度變化的行為，而電子則完全不同。這是一個出乎意料的發(fā)現(xiàn)，因?yàn)殡娮优c正電子在穿過星際磁場時損失等量的能量，而且比質(zhì)子和反質(zhì)子的能量損失要大得多。

暗物質(zhì)粒子有關(guān)的測量

過去的幾十年來，對暗物質(zhì)的性質(zhì)以及起源的研究得到了廣泛的關(guān)注。暗物質(zhì)粒子相互碰撞產(chǎn)生能量，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成普通的粒子，例如正電子和反質(zhì)子，可以通過以下三種方法研究正電子和反質(zhì)子的超出：測量正電子流強(qiáng)；測量正電子比例e+/（e++e'）；測量反質(zhì)子一質(zhì)子比。

暗物質(zhì)的典型信號是正電子和反質(zhì)子流強(qiáng)，正電子比例以及反質(zhì)子一質(zhì)子比隨能量增加而增多，然后在與暗物質(zhì)粒子質(zhì)量相應(yīng)的能量處開始急劇下降。同時，額外超出的正電子和反質(zhì)子到達(dá)方向上的各向同性也是暗物質(zhì)的典型信號。

從80億電子伏開始，正電子流強(qiáng)與正電子比例在傳統(tǒng)宇宙線碰撞模型的基礎(chǔ)上開始上升，之后在高能量處顯示出急劇減少的趨勢。正電子的數(shù)據(jù)符合暗物質(zhì)粒子質(zhì)量為1萬億電子伏的暗物質(zhì)模型。另一個可以解釋AMS正電子流強(qiáng)與正電子比例的模型認(rèn)為正電子來源于天體物理現(xiàn)象，如脈沖星。通過在國際空間站預(yù)期的壽命內(nèi)（2024年）持續(xù)地收集數(shù)據(jù)，AMS將可以分辨出這兩個可能的模型。

宇宙中的反質(zhì)子非常稀少，是質(zhì)子的萬分之一，因此對反質(zhì)子的精確測量要求對本底的排除能力達(dá)到10^-6。AMS用了五年時間準(zhǔn)確分辨出349 000個反質(zhì)子事例，包括2200個能量高于1000億電子伏特的反質(zhì)子事例。宇宙線反質(zhì)子的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是了解宇宙中反質(zhì)子起源的基礎(chǔ)，同時它將有助于對新物理現(xiàn)象的探尋和理解。AMS測量了反質(zhì)子一質(zhì)子流強(qiáng)比例。AMS測量的反質(zhì)子相對于宇宙線和星際物質(zhì)碰撞模型的預(yù)言有明顯超出。超出的反質(zhì)子不可能來自于脈沖星，但可以由暗物質(zhì)碰撞或其他新的天體物理現(xiàn)象解釋。到目前為止，還不能區(qū)分暗物質(zhì)和天體物理模型。到2024年，AMS對核子的精確測量（如硼一碳比）將會分辨這兩種模型。

質(zhì)子是宇宙線中最豐富的粒子。過去一百年里有很多質(zhì)子流強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)測量，這些測量誤差很大。利用3億個質(zhì)子事例，AMS將質(zhì)子流強(qiáng)測量精度提高到1%。測量結(jié)果顯示，質(zhì)子流強(qiáng)不能被簡單地描述成單一規(guī)律。這一結(jié)果改變了幾十年來人們對宇宙線的普遍認(rèn)識。

字宙線中的核子測量

AMS通過7個探測器對不同種類的基本粒子和原多的數(shù)據(jù)，以確定這些電荷為一2的事例的來源。

五年以來，在國際空間站上，AMS收集到超過900億個宇宙線事例。AMS的最新結(jié)果包括：正電子比例，反質(zhì)子一質(zhì)子比，以及電子、正電子、質(zhì)子、反質(zhì)子、氦核及其他核子的流強(qiáng)。這些出乎意料的精確數(shù)據(jù)與現(xiàn)有理論不符，需要全新的物理模型來描述，這將改變?nèi)藗儗τ钪婢€產(chǎn)生、加速以及傳播的認(rèn)識。同時，通過嚴(yán)格的探測器驗(yàn)證和持續(xù)的數(shù)據(jù)收集，我們將會確定所探測到的電荷為2的粒子的來源。最重要的是，當(dāng)像AMS一樣的精確實(shí)驗(yàn)被用于探索未知世界，我們可以期待嶄新的發(fā)現(xiàn)。