人類為何探究暗物質

錢錚

什么是暗物質，科學家們為何孜孜不倦地追尋暗物質的足跡，怎樣才能捕捉到這種看不見的物質，阿爾法磁譜儀項目又是怎樣的一個科學項目呢？

什么是暗物質

暗物質是宇宙中看不見的物質。

現在我們看到的天體，要么發光，如太陽，要么反光，如月亮，但有跡象表明，宇宙中還存在大量人們看不見的物質。它們不發出可見光或其他電磁波，用天文望遠鏡觀測不到。但它們能夠產生萬有引力，對可見的物質產生作用。研究和分析表明，暗物質在宇宙中所占份額遠超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的5%。

探測暗物質有何意義

暗物質被認為是宇宙研究中最具挑戰性的課題。

目前，暗物質的存在已經被人們普遍接受。人們認為暗物質促成了宇宙結構的形成，如果沒有暗物質就不會形成星系、恒星和行星，更談不上今天的人類了。暗物質的存在是通過天文觀測推測出來的，然而目前被廣泛認可的粒子物理學標準模型預言的62種基本粒子中不包含能解釋暗物質的基本粒子，因此，探測和研究暗物質很可能導致物理學界新的革命。

如何探測暗物質

暗物質的探測方法主要分為直接探測法和間接探測法。

所謂直接探測法是指直接探測暗物質粒子和原子核碰撞所產生的光學、聲學、電子學信號。由于發生碰撞的概率很小，產生的信號也很微弱，通常要把探測裝置安裝在地下深處。暗物質的間接探測法主要是觀測暗物質粒子衰變或互相作用后產生的正電子、反質子、中微子等穩定粒子。由于地球大氣的影響，在地面上無法精確測定粒子的能譜，這類實驗必須要在空間進行。

阿爾法磁譜儀項目實際上是一個大型粒子物理實驗。暗物質碰撞會產生額外的正電子，這些正電子的特征會被阿爾法磁譜儀精確地測量到。

阿爾法磁譜儀是如何制造的

阿爾法磁譜儀主結構的主體是一個外徑1.3米、內徑1.15米、高0.8米的空心高強度鋁制圓柱體。永磁體呈條狀插入主結構，其磁場強度高達1400高斯。主結構由中國航天科技一院設計，磁體則由中科院電工所制造，采用的是新型高磁能積釹鐵硼材料。“阿爾法磁譜儀1”于1998年6月隨美國“發現”號航天飛機升空開始科學探索，但最終沒能發現反物質和暗物質。此后，科學家開始研制“阿爾法磁譜儀2”。他們曾嘗試用超導磁體代替永磁體。這種方法可以產生更強的磁場，但超導磁體需要液氦冷卻，太空中無法補充液氦，這樣磁譜儀壽命只有3年。而使用永磁體的磁譜儀的使用壽命長達18年至20年，所以專家們決定沿用永磁體。

此外，“阿爾法磁譜儀2”在“阿爾法磁譜儀1”的基礎上增加了若干新的子探測器。

阿爾法磁譜儀是如何工作的

阿爾法磁譜儀的主要本領是能夠捕捉探測到太空中“流竄”的粒子。這一本領基于其強大而特殊的磁場。帶電粒子進入磁場后軌跡會發生變化，不同帶電粒子的軌跡變化也不同，而不帶電的粒子的軌跡則不會發生變化，因而觀測粒子進入這一磁場后軌跡是否變化，變化程度有何不同，就可以推知這是何種粒子。

與天文望遠鏡觀測物質發出的可見光和電磁波不同，磁譜儀直接觀測粒子本身。因而，磁譜儀能夠發現天文望遠鏡無法發現的暗物質等。

中國科學家在尋找暗物質競賽中發揮什么作用

在尋找暗物質的進程中，中國科學家開始扮演越來越重要的角色。中科院高能物理研究所在此期間承擔了大量數據分析工作。此外，中國的東南大學、中山大學和山東大學以及美國麻省理工學院、德國亞琛大學、意大利和法國的科研機構等都參與進來。

事實上，全球科學界長久以來對暗物質的探索并不止于阿爾法磁譜儀項目。中科院紫金山天文臺的科研團隊目前正與國內同行合作，加緊研制“暗物質粒子探測衛星”。相比阿爾法磁譜儀，中國正研制的這種衛星耗資少，重量輕，可望在暗物質探測領域取得突破。上海交大以及清華大學研究人員也在國內的地下實驗室里孜孜不倦地進行著相關實驗。