AMS是在國際空間站上開展的唯一大型試驗。圖片來源：NASA
我今年47歲，想在我有生之年能夠看到答案，但誰又知道呢?
請暫時不要將“發(fā)現(xiàn)什么是暗物質”從你的宇宙學任務清單中劃去。
4月初，物理學家利用安裝在國際空間站上的價值20億美元的宇宙射線探測器——阿爾法磁譜儀(AMS)——證實了一種之前發(fā)現(xiàn)的來自太空的額外反粒子。這些粒子可能由暗物質所發(fā)射——作為一種神秘的物質，正是后者的引力使得星系能夠結合在一起。一旦得到證實，這一觀測結果將有助于科學家確定暗物質的本質。然而由重達6.7噸的AMS測量到的這些額外物質也可能是由一顆脈沖星，抑或宇宙中的其他天體排放出的亞原子。并且判定到底哪一種解釋是正確的可能需要一些類型完全不同的試驗，并且耗費數(shù)年的時間。
新的物理現(xiàn)象
“現(xiàn)在的問題是，接下來該怎么辦?”并未參與AMS工作的美國大學公園市賓夕法尼亞州立大學的宇宙射線物理學家Stéphane Coutu說，“答案便是，這是一個很好的問題。”
作為粒子物理學家、77歲諾貝爾獎獲得者丁肇中的心血結晶，在經(jīng)過了長時間的醞釀之后，AMS于2011年5月16日奔向了國際空間站——這項國際項目之前曾一度被宣判“死刑”，之后又奇跡般復活。正如丁肇中于4月3日在瑞士日內瓦歐洲核子研究委員會(CERN)的歐洲粒子物理實驗室中所報告的那樣，從那時開始，他與AMS團隊的347位成員一道測量了正電子的比例，以及電子和正電子的總數(shù)。根據(jù)標準天體物理學理論，“正電子部分”應該是很少的，并且會隨著能量的增加而減少。丁肇中報告說，事實上，AMS發(fā)現(xiàn)正電子部分從100億電子伏特(GeV)能量的5%上升至該能量35倍的15%。
這些額外的正電子可能來源于暗物質。根據(jù)一些流行的理論，暗物質可能包含有大質量弱相互作用粒子，即WIMP。當兩個WIMP相互碰撞時，它們能夠彼此湮滅，進而產生一個電子—正電子對，從而使正電子部分接近50%的比例。這種額外的正電子之前曾經(jīng)有過記錄，但物理學家一直質疑這些結果的可靠性。而Coutu和其他學者認為，AMS的數(shù)據(jù)則證明了這些額外的正電子是真實存在的。
但它們是否來源于暗物質呢?這些正電子其實有可能發(fā)射自一種旋轉的中子星，即所謂的脈沖星——前提是后者足夠靠近地球。丁肇中和AMS研究團隊也都承認存在這種可能性。在《物理評論快報》發(fā)表的一篇論文中，他們并沒有提及暗物質便是這些正電子的來源，而是指出這是一種“新的物理現(xiàn)象”。
還有一種解釋
丁肇中表示，AMS最終能夠確定這些正電子的來源。如果這些正電子來自于湮滅的暗物質粒子，那么它們的能量必定會受到這些粒子質量的限制。因此在增加的能量超越一個明顯的“分界點”后，正電子部分應該會驟然下跌。丁肇中指出，與此形成對照的是，如果這些額外的正電子來自于一個天體物理學源頭，則它們應該會隨著能量的增加而逐漸消退。他說：“如果我們發(fā)現(xiàn)了一次‘暴跌’，那么這將是暗物質碰撞的一個非常有力的例證。”而AMS的數(shù)據(jù)顯示，迄今為止，正電子部分在最高能量分析下呈平穩(wěn)狀態(tài)，同時附加數(shù)據(jù)將能夠揭示它是否正在朝著懸崖走去。
然而并非所有人對此都買賬。安阿伯市密歇根大學的宇宙射線物理學家Gregory Tarlé就認為，一個天體物理學源頭同樣也能夠形成具有急劇能量削減的粒子?！昂苋菀妆隳軌虬岩粋€臨界點加入到一個天體物理學模型當中。”他解釋說，“你必須要做的便是限制粒子加速區(qū)的大小?！盩arlé說，即便AMS看到了一個臨界點，這種觀測結果依然是模棱兩可的。
英國倫敦國王學院的理論學家John Ellis指出，事實上，AMS觀測結果本身的細節(jié)可能讓它更難以根據(jù)暗物質解釋這種額外的正電子。AMS的數(shù)據(jù)表明，正電子過剩的能量已經(jīng)超過了之前的探測能夠達到的水平。Ellis表示，這也就意味著WIMP的重量至少為300GeV或400GeV，而這改變了理論模型。他說：“AMS正在陷入繪制暗物質的困境。是否有足夠的空間讓它堅持下來，我不知道?！?/FONT>
另辟蹊徑
頗具諷刺意味的是，宇宙射線物理學家強調，盯著天空永遠也無法解釋正電子過剩的現(xiàn)象。實際上，他們正在從一條不同的途徑來尋找答案，那就是利用一臺粒子加速器，例如CERN的大型強子對撞機(LHC)。根據(jù)一些模型，應當有可能通過LHC制造出WIMP。Coutu和Tarlé表示，實現(xiàn)此類轉化是從AMS的觀測中贏得一個有關暗物質的解釋所必需的。
然而解決這一切到底需要多長的時間?或許用不了太久。丁肇中指出，AMS在未來的幾年中必須搜集數(shù)據(jù)，以便搞清在正電子部分是否存在一次“暴跌”。而LHC將一直關閉，直至2015年進行修理。“我今年47歲”，Coutu說，“我想在我有生之年能夠看到答案，但誰又知道呢?”
拋開不確定性不談，對丁肇中來說，這一結果標志著一場勝利，正是他堅持要把AMS送入軌道。這一想法最早于1994年提出，而探測器于1998年由美國宇航局(NASA)的航天飛機進行了一次試驗飛行。但是當NASA的“哥倫比亞號”航天飛機于2003年在返航途中解體后，這一計劃似乎被無限期地擱置了，并且直至NASA開始重新考慮航天飛機計劃。然而丁肇中毫不氣餒，終于在2008年獲得國會授權，由NASA發(fā)射AMS，而美國也成為參與該項研究的16個國家之一。研究人員在AMS的論文中也談及了9位現(xiàn)任及前任參議員、眾議員對這項研究的支持。
暗物質和暗能量是現(xiàn)代天文學和物理學最重要的謎團之一，它們是為了解決宇宙學觀測與理論上的矛盾而提出來的。阿爾法磁譜儀的任務就是觀察暗物質湮滅時產生的正電子，從而尋找暗物質存在的證據(jù)。
1937年，天文學家發(fā)現(xiàn)，大型星系團中的星系具有極高的運動速度，然而星系的運行速度遠遠超出萬有引力公式計算出的結果，這表明除了人類已知的星系團核心物質對該星系的引力外，還存在其他引力。天文學家進一步推斷，在人類已知的宇宙物質之外，還有一種物質存在。
此后70多年的研究、分析均表明，這一至今未被人們觀測到的物質即“暗物質”在宇宙中存在，而且其在宇宙中所占的份額遠遠超過目前人類可以看到的物質。宇宙中最重要的成分是暗物質和暗能量，暗物質占宇宙的25%，暗能量占70%，我們通常所觀測到的普通物質只占宇宙質量5%。目前，只能通過其與物質的相互作用來間接“觀察”暗物質。
