丁肇中发现暗物质存在新证据

诺贝尔奖得主、美籍华人物理学家丁肇中于2014年9月18日公布阿尔法磁谱仪项目的最新研究成果，进一步显示宇宙射线中过量的正电子可能来自暗物质。

2011年升空的阿尔法磁谱仪（AMS）由国际空间站搭载，它的任务是寻找暗物质并探寻其起源。根据现有理论，宇宙中的暗物质远远多于普通物质，暗物质碰撞会产生过量的正电子，而阿尔法磁谱仪可对宇宙射线中的正电子进行精密观测。

？ ？图1 国际空间站上的AMS探测器

   暗物质是宇宙中看不见的物质。它们不发出可见光或其他电磁波，用天文望远镜观测不到，但它们能够产生万有引力，对可见的物质产生作用。天文学家推测，宇宙中最重要的成分是暗物质和暗能量，暗物质占宇宙25%，暗能量占70%，他们还认为通常所观测到的普通物质只占宇宙质量的5%。因此，探测和研究暗物质很可能导致物理学界的革命。
根据研究小组最新发布的数据，阿尔法磁谱仪观察到的410亿个宇宙射线事件中，约有1000万个是电子或正电子。从8吉电子伏特（１吉等于10亿）的能量开始，正电子占电子与正电子总数的比例快速增加，在275吉电子伏特左右停止增长。比例上升的过程较为均衡，没有明显的峰值。此外，正电子似乎来源于宇宙空间的各个方向，并不是在某个特定的方向上。
研究人员说，观测到的正电子分布特征与暗物质理论的某个模型一致，该模型认为暗物质由一种称为“中轻微子”的粒子组成。不过，这些过量的正电子到底是来源于暗物质？还是来源于脉冲星等天文现象？还需要进一步分析确认。
项目首席科学家丁肇中教授对新华社记者说，暗物质碰撞产生过量正电子有６个特征，其中的开始点、上升速率、最高点等５个特征都已被阿尔法磁谱仪测量到，最后一个特征就是测量正电子产生率会不会突然下降。
“怎么样下降，慢慢地下降还是很快地下降？很快的下降就一定是暗物质，”丁肇中如此说。
研究小组认为，宇宙射线中电子与正电子的通量（即单位时间里通过单位面积的粒子数量）有着显著不同的分布，其特征也显示：过量的高能正电子有可能来自暗物质碰撞。
科学家认为通量随能量的变化是由谱指数决定的，通常是正比于能量的谱指数次方。而这次研究结果显示：电子通量与正电子通量均无法由单一不变的谱指数描述，特别是在20吉到200吉电子伏特之间，正电子通量随能量变化的速率高于电子通量。这可被视为正电子比例增加来源于过量高能正电子而非高能电子损失的重要证明。
相关研究人员认为，对正电子占电子与正电子总数的比例、电子与正电子各自通量以及总通量进行精密测量并互为补充，可能帮助科学界更为深入地了解高能宇宙射线的来源及暗物质的存在。

图2 东南大学AMS数据处理与分析平台

 

   阿尔法磁谱仪项目的投入达20亿美元，研究人员来自美、欧、亚三大洲16个国家和地区的56个研究机构。中国的科学家对这个项目做出了重要的贡献，他们分别来自大陆的中国科学院电工研究所、高能物理所，中国运载火箭技术研究院，山东大学，东南大学，中山大学，上海交通大学，航空科学与技术国家实验室；以及台湾的中央研究院和中山科学院等单位。

（龙翔依据有关资讯编撰）