捕捉反物質

□陳壯叔

捕捉反物質

□陳壯叔

沒有人知道暗物質究竟為何物。有一個偵探能力很強的偵探，名叫中性微子，曾在宇宙中發現它的蛛絲馬跡。原來它們相遇即湮滅而產生了正電子。阿爾法磁譜儀登上國際空間站后，將與另一空間探測器一起并肩作戰?？茖W家相信，它們共同篩選粒子的工作將會有驚人的結果……

眾所周知，我們的宇宙是由物質構成的。然而它又一直是現代科學之迷，這是為什么呢？

現代物理學和實驗表明，在宇宙中隨時隨刻都有能量產生出物質粒子，其反物質粒子伙伴亦應如此。假若這是一個完全對稱的過程，那么大爆炸火球應該產生一個物質和反物質等量的世界?？扇藗円恢蔽匆姷胶笳?，它隱藏在何處？或者并非如此？我們不得而知。

其實，上述這一過程并非完全對稱，最終產生的物質可能更多一點。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，因此留下了一個物質宇宙。但我們對早期宇宙過程的了解是很不全面的。著名物理學家、諾貝爾獎得主丁肇中雄心勃勃，試圖到太空中去尋找反物質。這是一項宏大的科學探測工程。它始于1994年，涉及16個國家，有3000多名科學家和工程師參與。他們通力合作研制成一臺耗資15億美元、重達6.9噸的巨型探測器——“阿爾法磁譜儀”（AMS）。

其研制過程可是好事多磨。

幾經周折之后，它終于在2011年4月搭上“奮進號”航天機，飛向國際空間站。在那里，它將篩選來自深空的粒子流。這種探測將可能改變我們有關對宇宙的看法。它可能告訴我們，在空間某些區域是否存有反物質星球甚至星系；它可能揭露出，在某些空域隱藏著威力強大的大自然粒子加速器。

回顧1998年，它的原型機曾發現了一種全新的物質形式，被稱之為“奇異物質”。若這次探測能確認這些發現，那么我們對宇宙的認識將會改變。

阿爾法磁譜儀之所以具有如此大的功能，是因為它擁有巨大的磁鐵和多個分量探測器，特別是后者可用于測量每分鐘所通過的10000個粒子，包括其能量、運動方向、電子量和質量，可以實時產生30萬單位的信息，接受650個微處理器的計算和記錄，并傳送給地面的研究機構。

原型機搭載于“發現號”航天飛機上，作了100個小時的飛行，探測到了反氦和一些奇異物質。但由于飛行時間短，其所測得的樣品太少，阿爾法磁譜儀研究小組無法由此得出結論。

但是，丹麥的科學家麥得生等人對此卻興趣很大并作了研究，認為這可能是一種穩定的物質形式，稱“奇異物質”，比一般的核（原子核）物質重，其核是由奇異夸克及組成質子的那些夸克所構成。麥氏說，這種物質將可能存在于中子量的核態之中，并說“奇異物質，也就是你和我最終要衰變成的東西”。

麥氏要求阿爾法磁譜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，就會發現其質量跟荷量相比會顯得質量太大。質量有如一個鐵核，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。

一切準備就緒，只待隨機升空。

可是，2003年卻來了一場災難性打擊：“哥倫比亞”航天飛機在進入地球大氣層時解體。美國航空航天局（NASA）決定重新研究重返月球以及準備進入火星的載人空間飛行。這樣，阿爾法磁譜儀的隨機升空機會隨之落空。

不過，阿爾法磁譜儀的制造費用并非由NASA支出，該研究小組仍堅持研制下去。直至2009年奧巴馬總統就職后，國會指令NASA將阿爾法磁譜儀放入國際空間站。

在這段等待的時間中，阿爾法磁譜儀被國際社會所重視，那是人們關心暗物質的緣故。這是一種假象物質，在一個星系中它有如引力膠。沒有人知道暗物質究竟為何物，但中性微子曾探測到過它。原來它們相遇即湮滅而產生了正電子（它是電子的反物質伴侶）。

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

這個空間探測器發射于2002年，依附于俄羅斯的一顆偵查衛星上。它的主要目標是探測宇宙線的起源，其能量非常高，遠遠超過我們威力最大的粒子加速器所產生的能量。是什么東西抽打著宇宙線使之達到如此高的能量，目前還是一個謎。意大利科學家僻可茲說：“探測宇宙線，使我們能了解其產生和加速的機制?！?/p>

僻氏說，宇宙線能揭露出更多的宇宙學信息，研究它們的重要性正日益被人們認識，人們熱情高漲，因為它有助于暗物質的尋覓。

事實上，這個空間探測器早就找到了關于暗物質中性微子的證據。2008年11月，僻氏小組宣稱，他們在宇宙線中找到了要比天體物理學所計算出的更多的正電子。

那么，這些額外的正電子來自何處？他們的解釋是，可能出自中性微子（暗物質）的湮滅。不過這里有一個漏洞，即在這種情況下，這個空間探測器還應看到一個反質子的相應提升量，但它沒有看到。

僻氏認為，額外的正電子也可出于別的源，或者由于反質子的能量太大，使這個空間探測器難以測得。而阿爾法磁譜儀卻有能力測到它們，因為它的量限要比前者大得多。

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磁鐵，它被液氧冷卻到幾近絕對零度（相當-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勢必會產生能量，而能量必然要擴散，這就會影響到超導磁鐵所需的低溫。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。據估算，原計劃三年的液氧供給，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替換超導磁鐵，如此，阿爾法磁譜儀的磁場將被減弱，其靈敏度也就沒有原計劃那么高了。但由于它不需冷卻，故其工作期可延長到跟國際空間站一樣（即2020年到期）。

阿爾法磁譜儀研究小組的一位科學家說，“這對我們十分有利”。他拿上述兩個猜測性的奇異物質粒子為例，認為若阿爾法磁譜儀的工作期延長，那么在飛行途中，它將記錄幾百或幾千個類似事例。

事情帶有很大的戲劇性，到了最后一分鐘，NASA又把航天機的發射期從2011年2月推后到4月。這給了該小組足夠的時間去裝換阿爾法磁譜儀上的磁鐵。一位專家說：“阿爾法磁譜儀在航天實驗中，按現時的工藝水平來說，都夠得上完全現代化的粒子探測器?！?/p>

不論在哪里，以前還沒有如此尺寸的粒子探測器。在今后9年中，它將會發回海量的數據，地面上的研究者得花上幾年的時間去處理它們。最終它將告訴我們：宇宙中究竟有沒有一個反物質世界？有沒有奇異物質？中性微子是不是暗物質的唯一成員？抑或，我們會面臨更令人意想不到的東西。