捕捉反物質(zhì)

□陳壯叔

捕捉反物質(zhì)

□陳壯叔

沒(méi)有人知道暗物質(zhì)究竟為何物。有一個(gè)偵探能力很強(qiáng)的偵探，名叫中性微子，曾在宇宙中發(fā)現(xiàn)它的蛛絲馬跡。原來(lái)它們相遇即湮滅而產(chǎn)生了正電子。阿爾法磁譜儀登上國(guó)際空間站后，將與另一空間探測(cè)器一起并肩作戰(zhàn)。科學(xué)家相信，它們共同篩選粒子的工作將會(huì)有驚人的結(jié)果……

眾所周知，我們的宇宙是由物質(zhì)構(gòu)成的。然而它又一直是現(xiàn)代科學(xué)之迷，這是為什么呢？

現(xiàn)代物理學(xué)和實(shí)驗(yàn)表明，在宇宙中隨時(shí)隨刻都有能量產(chǎn)生出物質(zhì)粒子，其反物質(zhì)粒子伙伴亦應(yīng)如此。假若這是一個(gè)完全對(duì)稱(chēng)的過(guò)程，那么大爆炸火球應(yīng)該產(chǎn)生一個(gè)物質(zhì)和反物質(zhì)等量的世界?？扇藗円恢蔽匆?jiàn)到后者，它隱藏在何處？或者并非如此？我們不得而知。

其實(shí)，上述這一過(guò)程并非完全對(duì)稱(chēng)，最終產(chǎn)生的物質(zhì)可能更多一點(diǎn)。在早期宇宙的情形下，兩者必然相遇湮滅，化成能量，一閃而去，因此留下了一個(gè)物質(zhì)宇宙。但我們對(duì)早期宇宙過(guò)程的了解是很不全面的。著名物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)得主丁肇中雄心勃勃，試圖到太空中去尋找反物質(zhì)。這是一項(xiàng)宏大的科學(xué)探測(cè)工程。它始于1994年，涉及16個(gè)國(guó)家，有3000多名科學(xué)家和工程師參與。他們通力合作研制成一臺(tái)耗資15億美元、重達(dá)6.9噸的巨型探測(cè)器——“阿爾法磁譜儀”（AMS）。

其研制過(guò)程可是好事多磨。

幾經(jīng)周折之后，它終于在2011年4月搭上“奮進(jìn)號(hào)”航天機(jī)，飛向國(guó)際空間站。在那里，它將篩選來(lái)自深空的粒子流。這種探測(cè)將可能改變我們有關(guān)對(duì)宇宙的看法。它可能告訴我們，在空間某些區(qū)域是否存有反物質(zhì)星球甚至星系；它可能揭露出，在某些空域隱藏著威力強(qiáng)大的大自然粒子加速器。

回顧1998年，它的原型機(jī)曾發(fā)現(xiàn)了一種全新的物質(zhì)形式，被稱(chēng)之為“奇異物質(zhì)”。若這次探測(cè)能確認(rèn)這些發(fā)現(xiàn)，那么我們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)將會(huì)改變。

阿爾法磁譜儀之所以具有如此大的功能，是因?yàn)樗鼡碛芯薮蟮拇盆F和多個(gè)分量探測(cè)器，特別是后者可用于測(cè)量每分鐘所通過(guò)的10000個(gè)粒子，包括其能量、運(yùn)動(dòng)方向、電子量和質(zhì)量，可以實(shí)時(shí)產(chǎn)生30萬(wàn)單位的信息，接受650個(gè)微處理器的計(jì)算和記錄，并傳送給地面的研究機(jī)構(gòu)。

原型機(jī)搭載于“發(fā)現(xiàn)號(hào)”航天飛機(jī)上，作了100個(gè)小時(shí)的飛行，探測(cè)到了反氦和一些奇異物質(zhì)。但由于飛行時(shí)間短，其所測(cè)得的樣品太少，阿爾法磁譜儀研究小組無(wú)法由此得出結(jié)論。

但是，丹麥的科學(xué)家麥得生等人對(duì)此卻興趣很大并作了研究，認(rèn)為這可能是一種穩(wěn)定的物質(zhì)形式，稱(chēng)“奇異物質(zhì)”，比一般的核（原子核）物質(zhì)重，其核是由奇異夸克及組成質(zhì)子的那些夸克所構(gòu)成。麥?zhǔn)险f(shuō)，這種物質(zhì)將可能存在于中子量的核態(tài)之中，并說(shuō)“奇異物質(zhì)，也就是你和我最終要衰變成的東西”。

麥?zhǔn)弦蟀柗ù抛V儀研究小組成員注意，如果它們的原型找到任何出格的東西，比如在宇宙線（一種穿越空間的高能帶電粒子）中的一些粒子，就會(huì)發(fā)現(xiàn)其質(zhì)量跟荷量相比會(huì)顯得質(zhì)量太大。質(zhì)量有如一個(gè)鐵核，而電荷卻只像氧核那樣，所以這種奇怪的原子很可能就是上述奇異物質(zhì)。

一切準(zhǔn)備就緒，只待隨機(jī)升空。

可是，2003年卻來(lái)了一場(chǎng)災(zāi)難性打擊：“哥倫比亞”航天飛機(jī)在進(jìn)入地球大氣層時(shí)解體。美國(guó)航空航天局（NASA）決定重新研究重返月球以及準(zhǔn)備進(jìn)入火星的載人空間飛行。這樣，阿爾法磁譜儀的隨機(jī)升空機(jī)會(huì)隨之落空。

不過(guò)，阿爾法磁譜儀的制造費(fèi)用并非由NASA支出，該研究小組仍堅(jiān)持研制下去。直至2009年奧巴馬總統(tǒng)就職后，國(guó)會(huì)指令NASA將阿爾法磁譜儀放入國(guó)際空間站。

在這段等待的時(shí)間中，阿爾法磁譜儀被國(guó)際社會(huì)所重視，那是人們關(guān)心暗物質(zhì)的緣故。這是一種假象物質(zhì)，在一個(gè)星系中它有如引力膠。沒(méi)有人知道暗物質(zhì)究竟為何物，但中性微子曾探測(cè)到過(guò)它。原來(lái)它們相遇即湮滅而產(chǎn)生了正電子（它是電子的反物質(zhì)伴侶）。

阿爾法磁譜儀登上國(guó)際空間站后，將跟另一空間探測(cè)器（PEMELA）一起工作?？茖W(xué)家相信，它們共同篩選粒子將會(huì)有驚人的結(jié)果。

這個(gè)空間探測(cè)器發(fā)射于2002年，依附于俄羅斯的一顆偵查衛(wèi)星上。它的主要目標(biāo)是探測(cè)宇宙線的起源，其能量非常高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)我們威力最大的粒子加速器所產(chǎn)生的能量。是什么東西抽打著宇宙線使之達(dá)到如此高的能量，目前還是一個(gè)謎。意大利科學(xué)家僻可茲說(shuō)：“探測(cè)宇宙線，使我們能了解其產(chǎn)生和加速的機(jī)制。”

僻氏說(shuō)，宇宙線能揭露出更多的宇宙學(xué)信息，研究它們的重要性正日益被人們認(rèn)識(shí)，人們熱情高漲，因?yàn)樗兄诎滴镔|(zhì)的尋覓。

事實(shí)上，這個(gè)空間探測(cè)器早就找到了關(guān)于暗物質(zhì)中性微子的證據(jù)。2008年11月，僻氏小組宣稱(chēng)，他們?cè)谟钪婢€中找到了要比天體物理學(xué)所計(jì)算出的更多的正電子。

那么，這些額外的正電子來(lái)自何處？他們的解釋是，可能出自中性微子（暗物質(zhì)）的湮滅。不過(guò)這里有一個(gè)漏洞，即在這種情況下，這個(gè)空間探測(cè)器還應(yīng)看到一個(gè)反質(zhì)子的相應(yīng)提升量，但它沒(méi)有看到。

僻氏認(rèn)為，額外的正電子也可出于別的源，或者由于反質(zhì)子的能量太大，使這個(gè)空間探測(cè)器難以測(cè)得。而阿爾法磁譜儀卻有能力測(cè)到它們，因?yàn)樗牧肯抟惹罢叽蟮枚唷?/p>

阿爾法磁譜儀似乎升空在望，但也還有很大的麻煩。這里需要特別指出，阿爾法磁譜儀的核心部件是超導(dǎo)磁鐵，它被液氧冷卻到幾近絕對(duì)零度（相當(dāng)-273℃，只有在此低溫下，它才能順利工作）?？墒橇硪环矫?，阿爾法磁譜儀在工作時(shí)勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生能量，而能量必然要擴(kuò)散，這就會(huì)影響到超導(dǎo)磁鐵所需的低溫。為了克服這一額外的熱量，阿爾法磁譜儀必須使用更快速的致冷系統(tǒng)。據(jù)估算，原計(jì)劃三年的液氧供給，將要因此被耗去三分之二，這豈不變成釜底抽薪嗎？

為此，研究人員改用阿爾法磁譜儀原型上的永久磁鐵來(lái)替換超導(dǎo)磁鐵，如此，阿爾法磁譜儀的磁場(chǎng)將被減弱，其靈敏度也就沒(méi)有原計(jì)劃那么高了。但由于它不需冷卻，故其工作期可延長(zhǎng)到跟國(guó)際空間站一樣（即2020年到期）。

阿爾法磁譜儀研究小組的一位科學(xué)家說(shuō)，“這對(duì)我們十分有利”。他拿上述兩個(gè)猜測(cè)性的奇異物質(zhì)粒子為例，認(rèn)為若阿爾法磁譜儀的工作期延長(zhǎng)，那么在飛行途中，它將記錄幾百或幾千個(gè)類(lèi)似事例。

事情帶有很大的戲劇性，到了最后一分鐘，NASA又把航天機(jī)的發(fā)射期從2011年2月推后到4月。這給了該小組足夠的時(shí)間去裝換阿爾法磁譜儀上的磁鐵。一位專(zhuān)家說(shuō)：“阿爾法磁譜儀在航天實(shí)驗(yàn)中，按現(xiàn)時(shí)的工藝水平來(lái)說(shuō)，都?jí)虻蒙贤耆F(xiàn)代化的粒子探測(cè)器?！?/p>

不論在哪里，以前還沒(méi)有如此尺寸的粒子探測(cè)器。在今后9年中，它將會(huì)發(fā)回海量的數(shù)據(jù)，地面上的研究者得花上幾年的時(shí)間去處理它們。最終它將告訴我們：宇宙中究竟有沒(méi)有一個(gè)反物質(zhì)世界？有沒(méi)有奇異物質(zhì)？中性微子是不是暗物質(zhì)的唯一成員？抑或，我們會(huì)面臨更令人意想不到的東西。