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丁肇中披露国际空间站阿尔法磁谱仪4大研究发现

(2017-06-26 20:03:30)
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分类: 进展•观点

丁肇中披露国际空间站阿尔法磁谱仪4大研究发现

中国科讯 2017-06-26 17:37

2016年12月,“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、麻省理工学院物理学教授丁肇中在欧洲核子研究中心(CERN)的讨论会上报告了AMS-02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7.7吨,2011年5月19日被机械臂安装在国际空间站上,目前已经收集了超过900亿条宇宙线的数据,8篇主要实验结果陆续发表在《物理评论快报》上。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-02改变了人类对宇宙线的认识,主要研究发现包括:

丁肇中披露国际空间站阿尔法磁谱仪4大研究发现

(1)宇宙中正反物质的不均衡

AMS-02在5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-02项目科学家并未宣称探测到了反氦核,但是他们无法排除“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-02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-02探测到了数目惊人的正电子,且能量范围接近AMS-02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,其中脉冲星是特别难以排除的来源。丁肇中介绍,AMS-02项目科学家预期在2024年前收集足够的数据来更好地判断这一问题。

丁肇中披露国际空间站阿尔法磁谱仪4大研究发现

(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-02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。

丁肇中披露国际空间站阿尔法磁谱仪4大研究发现

此外,在一项尚未发表的分析中,科学家发现AMS-02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。

除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开发、2015年8月运送至国际空间站的“量热仪型电子望远镜”(CALET),其目标是研究暗物质;美国国家航空航天局“宇宙线能量和质量”(CREAM)实验计划在2017年中期运送到国际空间站,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。


Space Station Experiment Marks Five Years Probing Cosmic Ray Mysteries.

文章来源:国家高端智库中国科学院《科技前沿快报》,2017年,第2期。


http://www.toutiao.com/a6435876351131992322/

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