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丁肇中:距离暗物质只剩最后一步  

2014-09-21 14:33:22|  分类: 名人传记 |  标签: |举报 |字号 订阅

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2014-09-21 09:18:33 来源:观察者网 

丁肇中在欧洲核子研究中心介绍最新成果
丁肇中在欧洲核子研究中心介绍最新成果

美籍华人物理学家丁肇中领导的暗物质研究小组昨天发布重大研究成果,根据国际空间站上阿尔法磁谱仪的首批观测数据,科研人员已经找到了可以证明暗物质存在的6个证据中的5个。

暗物质是现有宇宙构成理论中最关键的假设之一,能够解决宇宙大爆炸理论的不自洽问题。为寻找暗物质,丁肇中于1995年提出了建造阿尔法磁谱仪的国际合作项目,中科院、上海交大、山东大学等中国科研机构都参与了磁谱仪核心部件的建造。2011年5月,阿尔法磁谱仪被送入太空,开始执行为期3年的暗物质探索任务。

距发现暗物质只剩最后一步

当地时间18日晚间,诺贝尔奖得主、美籍华人物理学家丁肇中领导的阿尔法磁谱仪项目,在欧洲核子研究中心公布了最新研究成果,进一步显示暗物质可能存在。这一成果发表在最新一期美国《物理评论快报》上。

据参与该项目的山东大学科学家程林教授介绍,目前阿尔法磁谱仪已发现了1090亿个电子与反电子,在业已完成的观测中,暗物质的6个特征已有5个得到确认。这一研究结果将人类对暗物质的探索向前推进一大步。

到底什么是暗物质呢?上世纪二十年代,物理学家们提出了宇宙大爆炸的学说。根据这一学说,宇宙在大爆炸以前处于真空状态,大爆炸以后才形成了物质世界,据此推断就应该有反物质存在。此后,物理学家们开始了寻找反物质或称暗物质的努力。

“暗物质是一种人眼看不到的物质,想要证明它的存在可不容易。”国家天文台宇宙暗物质暗能量组首席研究员陈学雷介绍说,1930年左右,科学家发现有一些星系团中的物质,产生的引力要比其他可以看到的星系多一些,但是这些物质不发光,所以就起名为暗物质。

现有物理学假设认为,人类目前所认知的物质世界大概只占宇宙的4%。在这之外,那些不发光不发热的暗物质,则占了宇宙的23%,还有73%是暗能量。

410亿数据将改变人类知识

寻找暗物质主要有3种途径。一种是利用粒子对撞产生直接暗物质;另一种是利用引力场间接探测。暗物质不发光,但是可以产生引力,因此可以通过对引力场变化的测量来寻找暗物质。中国主导的“熊猫计划”(PandaX)就是后一种方法的实践。

阿尔法磁谱仪项目代表了第三种途径。从理论上讲,暗物质相互碰撞会产生过量正电子(所带电荷量与我们常见的带负电的电子恰好相反),因此可以通过探测正电子来寻找暗物质。

自从2011年5月16日被安置到国际空间站迄今,阿尔法磁谱仪已运行四十多个月,共搜集了540亿个宇宙射线数据。刚刚公布的研究成果,是基于对最先收集到的410亿个数据的分析。在这些数据中,科学家观测到约1000万个电子与正电子,这是半世纪来检测到的正电子分率的最大值。

根据丁肇中研究小组此次在美国《物理评论快报》上发布的结果,已发现的宇宙射线中过量正电子的5个特征分别为:正电子比例上升是从8吉电子伏特(1吉等于10亿)的能量开始;在速率方面,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;还有正电子似乎来源于宇宙空间的各个方向,而不是某个特定方向。

据丁肇中介绍,证明暗物质所需的最后1个特征就是正电子的产生率会不会突然下降,“这个要花很多的时间,”丁肇中说,“很快下降一定是暗物质跟暗物质对撞产生正电子,因为暗物质能量有限,到一定能量以后就不可能再产生正电子,所以会突然下降。”

对于这一批数据的意义,丁肇中说:“到现在为止我们所得到的结果,没有一个和过去100年所收集的结果是一样,所以也可以这么说,就是所有的结果慢慢改变人类对于这些的了解。”

中国研制阿尔法磁谱仪核心部件

由丁肇中教授领导阿尔法磁谱仪(AMS)项目是目前世界上规模最大的科学项目之一。阿尔法磁谱仪的结构很复杂,任务很艰巨,但它工作的基本原理却是高中物理中带电粒子在磁场中运动的知识。

说白了,阿尔法磁谱仪就是一个带电粒子探测器,其核心部件是由中国科学家和工程师经 4 年努力研制的永磁体,可以产生一个很强的磁场。当宇宙中的带电粒子穿过这个磁场时,磁场就对它施加洛仑兹力使之发生偏转,这时,记录有关数据,再用电子计算机进行数据处理,就可以从中区分出正电子等各种带电粒子。

丁肇中于1995年提出了阿尔法磁谱仪的设想,并主持其相关的国际合作计划。这计划是一个国际合作项目,动员了来自15个国家31所大学院校的上百名科研人员。

中国科学家为磁谱仪倾注了大量心血,参加阿尔法磁谱仪国际合作的中国单位还包括中国科学院电工研究所、上海交通大学、东南大学、山东大学、中山大学,以及中国台湾的“中央研究院”物理研究所、“中央大学”、中山科学研究院等。

阿尔法磁谱仪最关键的永磁体系统是由中国科学院电工研究所、中国科学院高能物理研究所和中国运载火箭技术研究院联合研制,211厂生产制造。

011年5月16日,美国“奋进号”航天飞机将阿尔法磁谱仪送入太空,安放在国际空间站上。

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