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中科院力學(xué)所
丁肇中發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)存在新證據(jù)
力學(xué)園地
2015年12月26日丁肇中發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)存在新證據(jù)
諾貝爾獎得主、美籍華人物理學(xué)家丁肇中于2014年9月18日公布阿爾法磁譜儀項目的最新研究成果，進一步顯示宇宙射線中過量的正電子可能來自暗物質(zhì)。
2011年升空的阿爾法磁譜儀（AMS）由國際空間站搭載，它的任務(wù)是尋找暗物質(zhì)并探尋其起源。根據(jù)現(xiàn)有理論，宇宙中的暗物質(zhì)遠遠多于普通物質(zhì)，暗物質(zhì)碰撞會產(chǎn)生過量的正電子，而阿爾法磁譜儀可對宇宙射線中的正電子進行精密觀測。
？ ？圖1 國際空間站上的AMS探測器
暗物質(zhì)是宇宙中看不見的物質(zhì)。它們不發(fā)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(chǎn)生萬有引力，對可見的物質(zhì)產(chǎn)生作用。天文學(xué)家推測，宇宙中最重要的成分是暗物質(zhì)和暗能量，暗物質(zhì)占宇宙25%，暗能量占70%，他們還認為通常所觀測到的普通物質(zhì)只占宇宙質(zhì)量的5%。因此，探測和研究暗物質(zhì)很可能導(dǎo)致物理學(xué)界的革命。根據(jù)研究小組最新發(fā)布的數(shù)據(jù)，阿爾法磁譜儀觀察到的410億個宇宙射線事件中，約有1000萬個是電子或正電子。從8吉電子伏特（１吉等于10億）的能量開始，正電子占電子與正電子總數(shù)的比例快速增加，在275吉電子伏特左右停止增長。比例上升的過程較為均衡，沒有明顯的峰值。此外，正電子似乎來源于宇宙空間的各個方向，并不是在某個特定的方向上。
研究人員說，觀測到的正電子分布特征與暗物質(zhì)理論的某個模型一致，該模型認為暗物質(zhì)由一種稱為“中輕微子”的粒子組成。不過，這些過量的正電子到底是來源于暗物質(zhì)？還是來源于脈沖星等天文現(xiàn)象？還需要進一步分析確認。
項目首席科學(xué)家丁肇中教授對新華社記者說，暗物質(zhì)碰撞產(chǎn)生過量正電子有６個特征，其中的開始點、上升速率、最高點等５個特征都已被阿爾法磁譜儀測量到，最后一個特征就是測量正電子產(chǎn)生率會不會突然下降。
“怎么樣下降，慢慢地下降還是很快地下降？很快的下降就一定是暗物質(zhì)，”丁肇中如此說。
研究小組認為，宇宙射線中電子與正電子的通量（即單位時間里通過單位面積的粒子數(shù)量）有著顯著不同的分布，其特征也顯示：過量的高能正電子有可能來自暗物質(zhì)碰撞。
科學(xué)家認為通量隨能量的變化是由譜指數(shù)決定的，通常是正比于能量的譜指數(shù)次方。而這次研究結(jié)果顯示：電子通量與正電子通量均無法由單一不變的譜指數(shù)描述，特別是在20吉到200吉電子伏特之間，正電子通量隨能量變化的速率高于電子通量。這可被視為正電子比例增加來源于過量高能正電子而非高能電子損失的重要證明。
相關(guān)研究人員認為，對正電子占電子與正電子總數(shù)的比例、電子與正電子各自通量以及總通量進行精密測量并互為補充，可能幫助科學(xué)界更為深入地了解高能宇宙射線的來源及暗物質(zhì)的存在。
圖2 東南大學(xué)AMS數(shù)據(jù)處理與分析平臺
阿爾法磁譜儀項目的投入達20億美元，研究人員來自美、歐、亞三大洲16個國家和地區(qū)的56個研究機構(gòu)。中國的科學(xué)家對這個項目做出了重要的貢獻，他們分別來自大陸的中國科學(xué)院電工研究所、高能物理所，中國運載火箭技術(shù)研究院，山東大學(xué)，東南大學(xué)，中山大學(xué)，上海交通大學(xué)，航空科學(xué)與技術(shù)國家實驗室；以及臺灣的中央研究院和中山科學(xué)院等單位。
（龍翔依據(jù)有關(guān)資訊編撰）