人类为何探究暗物质

钱铮

什么是暗物质，科学家们为何孜孜不倦地追寻暗物质的足迹，怎样才能捕捉到这种看不见的物质，阿尔法磁谱仪项目又是怎样的一个科学项目呢？

什么是暗物质

暗物质是宇宙中看不见的物质。

现在我们看到的天体，要么发光，如太阳，要么反光，如月亮，但有迹象表明，宇宙中还存在大量人们看不见的物质。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。研究和分析表明，暗物质在宇宙中所占份额远超目前人类可以看到的物质。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%，我们通常所观测到的普通物质只占宇宙质量的5%。

探测暗物质有何意义

暗物质被认为是宇宙研究中最具挑战性的课题。

目前，暗物质的存在已经被人们普遍接受。人们认为暗物质促成了宇宙结构的形成，如果没有暗物质就不会形成星系、恒星和行星，更谈不上今天的人类了。暗物质的存在是通过天文观测推测出来的，然而目前被广泛认可的粒子物理学标准模型预言的62种基本粒子中不包含能解释暗物质的基本粒子，因此，探测和研究暗物质很可能导致物理学界新的革命。

如何探测暗物质

暗物质的探测方法主要分为直接探测法和间接探测法。

所谓直接探测法是指直接探测暗物质粒子和原子核碰撞所产生的光学、声学、电子学信号。由于发生碰撞的概率很小，产生的信号也很微弱，通常要把探测装置安装在地下深处。暗物质的间接探测法主要是观测暗物质粒子衰变或互相作用后产生的正电子、反质子、中微子等稳定粒子。由于地球大气的影响，在地面上无法精确测定粒子的能谱，这类实验必须要在空间进行。

阿尔法磁谱仪项目实际上是一个大型粒子物理实验。暗物质碰撞会产生额外的正电子，这些正电子的特征会被阿尔法磁谱仪精确地测量到。

阿尔法磁谱仪是如何制造的

阿尔法磁谱仪主结构的主体是一个外径1.3米、内径1.15米、高0.8米的空心高强度铝制圆柱体。永磁体呈条状插入主结构，其磁场强度高达1400高斯。主结构由中国航天科技一院设计，磁体则由中科院电工所制造，采用的是新型高磁能积钕铁硼材料。“阿尔法磁谱仪1”于1998年6月随美国“发现”号航天飞机升空开始科学探索，但最终没能发现反物质和暗物质。此后，科学家开始研制“阿尔法磁谱仪2”。他们曾尝试用超导磁体代替永磁体。这种方法可以产生更强的磁场，但超导磁体需要液氦冷却，太空中无法补充液氦，这样磁谱仪寿命只有3年。而使用永磁体的磁谱仪的使用寿命长达18年至20年，所以专家们决定沿用永磁体。

此外，“阿尔法磁谱仪2”在“阿尔法磁谱仪1”的基础上增加了若干新的子探测器。

阿尔法磁谱仪是如何工作的

阿尔法磁谱仪的主要本领是能够捕捉探测到太空中“流窜”的粒子。这一本领基于其强大而特殊的磁场。带电粒子进入磁场后轨迹会发生变化，不同带电粒子的轨迹变化也不同，而不带电的粒子的轨迹则不会发生变化，因而观测粒子进入这一磁场后轨迹是否变化，变化程度有何不同，就可以推知这是何种粒子。

与天文望远镜观测物质发出的可见光和电磁波不同，磁谱仪直接观测粒子本身。因而，磁谱仪能够发现天文望远镜无法发现的暗物质等。

中国科学家在寻找暗物质竞赛中发挥什么作用

在寻找暗物质的进程中，中国科学家开始扮演越来越重要的角色。中科院高能物理研究所在此期间承担了大量数据分析工作。此外，中国的东南大学、中山大学和山东大学以及美国麻省理工学院、德国亚琛大学、意大利和法国的科研机构等都参与进来。

事实上，全球科学界长久以来对暗物质的探索并不止于阿尔法磁谱仪项目。中科院紫金山天文台的科研团队目前正与国内同行合作，加紧研制“暗物质粒子探测卫星”。相比阿尔法磁谱仪，中国正研制的这种卫星耗资少，重量轻，可望在暗物质探测领域取得突破。上海交大以及清华大学研究人员也在国内的地下实验室里孜孜不倦地进行着相关实验。