捕捉反物质

□陈壮叔

捕捉反物质

□陈壮叔

没有人知道暗物质究竟为何物。有一个侦探能力很强的侦探，名叫中性微子，曾在宇宙中发现它的蛛丝马迹。原来它们相遇即湮灭而产生了正电子。阿尔法磁谱仪登上国际空间站后，将与另一空间探测器一起并肩作战。科学家相信，它们共同筛选粒子的工作将会有惊人的结果……

众所周知，我们的宇宙是由物质构成的。然而它又一直是现代科学之迷，这是为什么呢？

现代物理学和实验表明，在宇宙中随时随刻都有能量产生出物质粒子，其反物质粒子伙伴亦应如此。假若这是一个完全对称的过程，那么大爆炸火球应该产生一个物质和反物质等量的世界。可人们一直未见到后者，它隐藏在何处？或者并非如此？我们不得而知。

其实，上述这一过程并非完全对称，最终产生的物质可能更多一点。在早期宇宙的情形下，两者必然相遇湮灭，化成能量，一闪而去，因此留下了一个物质宇宙。但我们对早期宇宙过程的了解是很不全面的。著名物理学家、诺贝尔奖得主丁肇中雄心勃勃，试图到太空中去寻找反物质。这是一项宏大的科学探测工程。它始于1994年，涉及16个国家，有3000多名科学家和工程师参与。他们通力合作研制成一台耗资15亿美元、重达6.9吨的巨型探测器——“阿尔法磁谱仪”（AMS）。

其研制过程可是好事多磨。

几经周折之后，它终于在2011年4月搭上“奋进号”航天机，飞向国际空间站。在那里，它将筛选来自深空的粒子流。这种探测将可能改变我们有关对宇宙的看法。它可能告诉我们，在空间某些区域是否存有反物质星球甚至星系；它可能揭露出，在某些空域隐藏着威力强大的大自然粒子加速器。

回顾1998年，它的原型机曾发现了一种全新的物质形式，被称之为“奇异物质”。若这次探测能确认这些发现，那么我们对宇宙的认识将会改变。

阿尔法磁谱仪之所以具有如此大的功能，是因为它拥有巨大的磁铁和多个分量探测器，特别是后者可用于测量每分钟所通过的10000个粒子，包括其能量、运动方向、电子量和质量，可以实时产生30万单位的信息，接受650个微处理器的计算和记录，并传送给地面的研究机构。

原型机搭载于“发现号”航天飞机上，作了100个小时的飞行，探测到了反氦和一些奇异物质。但由于飞行时间短，其所测得的样品太少，阿尔法磁谱仪研究小组无法由此得出结论。

但是，丹麦的科学家麦得生等人对此却兴趣很大并作了研究，认为这可能是一种稳定的物质形式，称“奇异物质”，比一般的核（原子核）物质重，其核是由奇异夸克及组成质子的那些夸克所构成。麦氏说，这种物质将可能存在于中子量的核态之中，并说“奇异物质，也就是你和我最终要衰变成的东西”。

麦氏要求阿尔法磁谱仪研究小组成员注意，如果它们的原型找到任何出格的东西，比如在宇宙线（一种穿越空间的高能带电粒子）中的一些粒子，就会发现其质量跟荷量相比会显得质量太大。质量有如一个铁核，而电荷却只像氧核那样，所以这种奇怪的原子很可能就是上述奇异物质。

一切准备就绪，只待随机升空。

可是，2003年却来了一场灾难性打击：“哥伦比亚”航天飞机在进入地球大气层时解体。美国航空航天局（NASA）决定重新研究重返月球以及准备进入火星的载人空间飞行。这样，阿尔法磁谱仪的随机升空机会随之落空。

不过，阿尔法磁谱仪的制造费用并非由NASA支出，该研究小组仍坚持研制下去。直至2009年奥巴马总统就职后，国会指令NASA将阿尔法磁谱仪放入国际空间站。

在这段等待的时间中，阿尔法磁谱仪被国际社会所重视，那是人们关心暗物质的缘故。这是一种假象物质，在一个星系中它有如引力胶。没有人知道暗物质究竟为何物，但中性微子曾探测到过它。原来它们相遇即湮灭而产生了正电子（它是电子的反物质伴侣）。

阿尔法磁谱仪登上国际空间站后，将跟另一空间探测器（PEMELA）一起工作。科学家相信，它们共同筛选粒子将会有惊人的结果。

这个空间探测器发射于2002年，依附于俄罗斯的一颗侦查卫星上。它的主要目标是探测宇宙线的起源，其能量非常高，远远超过我们威力最大的粒子加速器所产生的能量。是什么东西抽打着宇宙线使之达到如此高的能量，目前还是一个谜。意大利科学家僻可兹说：“探测宇宙线，使我们能了解其产生和加速的机制。”

僻氏说，宇宙线能揭露出更多的宇宙学信息，研究它们的重要性正日益被人们认识，人们热情高涨，因为它有助于暗物质的寻觅。

事实上，这个空间探测器早就找到了关于暗物质中性微子的证据。2008年11月，僻氏小组宣称，他们在宇宙线中找到了要比天体物理学所计算出的更多的正电子。

那么，这些额外的正电子来自何处？他们的解释是，可能出自中性微子（暗物质）的湮灭。不过这里有一个漏洞，即在这种情况下，这个空间探测器还应看到一个反质子的相应提升量，但它没有看到。

僻氏认为，额外的正电子也可出于别的源，或者由于反质子的能量太大，使这个空间探测器难以测得。而阿尔法磁谱仪却有能力测到它们，因为它的量限要比前者大得多。

阿尔法磁谱仪似乎升空在望，但也还有很大的麻烦。这里需要特别指出，阿尔法磁谱仪的核心部件是超导磁铁，它被液氧冷却到几近绝对零度（相当-273℃，只有在此低温下，它才能顺利工作）。可是另一方面，阿尔法磁谱仪在工作时势必会产生能量，而能量必然要扩散，这就会影响到超导磁铁所需的低温。为了克服这一额外的热量，阿尔法磁谱仪必须使用更快速的致冷系统。据估算，原计划三年的液氧供给，将要因此被耗去三分之二，这岂不变成釜底抽薪吗？

为此，研究人员改用阿尔法磁谱仪原型上的永久磁铁来替换超导磁铁，如此，阿尔法磁谱仪的磁场将被减弱，其灵敏度也就没有原计划那么高了。但由于它不需冷却，故其工作期可延长到跟国际空间站一样（即2020年到期）。

阿尔法磁谱仪研究小组的一位科学家说，“这对我们十分有利”。他拿上述两个猜测性的奇异物质粒子为例，认为若阿尔法磁谱仪的工作期延长，那么在飞行途中，它将记录几百或几千个类似事例。

事情带有很大的戏剧性，到了最后一分钟，NASA又把航天机的发射期从2011年2月推后到4月。这给了该小组足够的时间去装换阿尔法磁谱仪上的磁铁。一位专家说：“阿尔法磁谱仪在航天实验中，按现时的工艺水平来说，都够得上完全现代化的粒子探测器。”

不论在哪里，以前还没有如此尺寸的粒子探测器。在今后9年中，它将会发回海量的数据，地面上的研究者得花上几年的时间去处理它们。最终它将告诉我们：宇宙中究竟有没有一个反物质世界？有没有奇异物质？中性微子是不是暗物质的唯一成员？抑或，我们会面临更令人意想不到的东西。