作者:潘希 廖洋 石蓬波 来源:中国科学报 发布时间:2013-4-8 7:50:05
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中国科学报:探寻暗物质踪迹的“中国心”
 
4月3日晚,诺贝尔奖获得者、华裔物理学家丁肇中及其阿尔法磁谱仪项目团队宣布的成果,让人类在认识暗物质的道路上迈出了重要一步。这项被誉为具有“史无前例的灵敏度”的新成果,在很大程度上要归功于阿尔法磁谱仪有着一颗强大的“中国心”。
 
■本报记者 潘希 廖洋 实习生 石蓬波
 
科学家们认为,在宇宙的构成中,人类已知物质仅占4%左右,而暗物质几乎是已知物质的6倍,但人类一直未找到它存在的证据。
 
4月3日晚,诺贝尔奖得主、华裔物理学家丁肇中及其阿尔法磁谱仪项目团队宣布的成果,让人类在认识暗物质的道路上迈出了重要一步。
 
丁肇中团队借助阿尔法磁谱仪(AMS)已发现40万个正电子,这些正电子可能来自人类一直寻找的暗物质。
 
这项被誉为具有“史无前例的灵敏度”的新成果,很大程度上归功于阿尔法磁谱仪有着一颗强大的“中国心”——一块中国制造的巨大永磁铁。
 
“这块巨大的永磁铁是阿尔法磁谱仪最重要的部件之一,是中国科学家的智慧和创新。有了它,才能区分粒子的电荷。”4月7日,AMS项目首批科学家和主要成员之一、中科院院士陈和生在接受《中国科学报》记者采访时说。
 
中国“魔环”显神力
 
“这是美国航天飞机第一次搭载来自中国的载荷,更是人类送入太空的第一块大型磁体。”陈和生说。
 
然而,要想设计制造出这样一块大型磁体却并非易事。
 
早在上世纪60年代,科学家就希望能将大型磁谱仪送入太空,但是一直无法造出无漏磁、无二极磁矩的大型磁体。研制无漏磁、无二极磁矩大型磁体,并符合美国宇航局严格的安全要求放入太空,是AMS项目的最大挑战之一。
 
直到一次偶然的机会,丁肇中在美国一份文献中看到中科院电工所的论文,发现中国能制造出这种特殊的磁体。他把这一方案带回美国,在获得一致肯定后,与中方签署了合作协议。
 
“中科院电工所的设计非常巧妙,我们叫它‘魔环’设计。与其他国家的方案相比,这个方案具有重量轻、无漏磁、无二极磁矩及磁场均匀等优点。”陈和生说。
 
从1995年到1997年间,根据中科院电工所的“魔环”构思,科学家将这块磁铁设计并制造了出来,并做了多次空间环境模拟试验,完全达到美国宇航局严格的安全要求。
 
丁肇中在接受采访时说:“近40年无法解决的难题,最后还是由中科院电工所解决了”,“如果缺少了中国科学家,如何将大型磁体放入太空这个几十年来的难题恐怕现在还无法解决”。
 
据了解,中国科学家选择的新型高磁能积钕铁硼材料,采用独特的磁路设计,完全符合实验要求,可使磁谱仪使用寿命长达20年。
 
“1998年,AMS第一次上天,大型磁体工作正常。时隔13年后在2011年再次测量它的磁场,变化小于千分之一。AMS又再次使用这个大型磁体,将之送到国际空间站。”陈和生认为,这块“中国心”的质量和性能非常好。
 
同时,探测器关键部分的电磁量能器由中科院高能物理所、中国运载火箭技术研究院的科学家和意大利、法国同行合作研制。 “它能精确测量电子和正电子的能量,并排除正电子小号的主要本底质子,误判率小于万分之一。”陈和生说。
 
发现暗物质可能痕迹
 
正是有了这块“中国心”,AMS项目才得以顺利实施。
 
AMS在国际空间站运行至今,已观测超过300亿个宇宙射线,最高能量达数万亿电子伏特。AMS的永久磁铁及其精密粒子探测器每年记录约160亿个宇宙射线信号,并传送到地面,由AMS实验项目组分析。
 
AMS热系统总负责人、山东大学教授程林说,截至2012年12月10日,在前18个月的太空实际探测运转中,AMS分析了250亿个初级宇宙射线。“我们确认了其中的680万个电子及其反粒子——正电子的事例。”
 
丁肇中在论文中这样表述:“正电子比分能谱未显示其有结构或随时间改变。正电子与电子的比率没有显示出空间的各向异性,即高能的正电子不是来自空间某个特定的方向。”
 
山东大学物理学院教授王萌从专业角度分析,这段话可理解为实验结果已经比较接近暗物质了。程林则表示,“这一实验结果在去年9月份就已经出来了,科学家们本着实事求是的严谨态度不断进行确认,生怕出错,发布日期一拖再拖”。实验结果将发表于《物理评论快报》。
 
何时揭开暗物质之谜
 
“寻找暗物质是当今国际粒子物理实验的前沿,对各项技术的要求也非常高。”陈和生表示,除在太空探测暗物质的AMS项目外,还有欧洲的LHC大型粒子加速器以及我国正在开展的地下实验等。
 
而根据计划,阿尔法磁谱仪的预计寿命是20年,除寻找暗物质外,还有寻找反物质和精确测量宇宙线成分的任务。目前发布的实验结果,是对预期收集总数据量的约1/10数据的分析。
 
除永磁体系统是中国制造外,磁谱仪项目的整体散热系统、轨迹探测器热控系统、地面模拟系统、电磁量能器结构和地面总装支撑设备的设计研制,也分别由山东大学、中山大学、东南大学和中科院高能物理研究所独立或参与完成。
 
中国科学家还参与了实验数据分析和物理研究工作。AMS的数据分析由2个独立团队进行,每个团队都包括了许多国家的科学家。他们互相“挑错”,最终达成一致,确保结果的正确。
 
“中国科学家的数据分析在电荷测量、粒子识别、电子能量测量等方面发挥了十分重要的作用。”陈和生说。
 
“丁肇中团队所使用的阿尔法磁谱仪当然是目前灵敏度最高,也是最复杂、最昂贵的一台暗物质探测设备,代表了当今科学实验的最高技术手段。”中科院高能物理所研究员毕效军在此前接受采访时说,之前科学家们在不同的实验上都看到了一些迹象,怀疑这些就是暗物质的信号,但由于实验的灵敏度不够,这些迹象还无法确认为暗物质的信号。
 
陈和生表示,要获得暗物质存在的确切证据,还需要积累更多的数据。“中国科研人员一直在日内瓦欧洲核子研究组织的AMS运行中心参与值班,继续进行数据分析和物理研究。”他说,“随着数据的不断收集和分析,暗物质之谜最终会在若干年后被揭开。这一结果无疑对物理学的发展意义重大。”
 
《中国科学报》 (2013-04-08 第1版 要闻)
 
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