阿尔法磁谱仪

阿尔法磁谱仪（Alpha Magnetic Spectrometer，又译反物质太空磁谱仪，简称AMS）是一个安装于国际空间站上的粒子物理试验设备，最初由麻省理工大学的物理学家，诺贝尔物理学奖得主丁肇中于1995年提议开始，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，动员了二百多人，来自31所大学院校和15个国家。目的在于探测宇宙中的奇异物质，包括暗物质及反物质。阿尔法磁谱仪将依靠一个巨大的磁铁及六个超高精确度的探测器来完成它搜索的使命。2013年3月，在欧洲核子研究组织的一个讲座里，丁肇中教授宣布，AMS已观察到超过四十万个正电子。在能量10 GeV至250 GeV区域，正电子与电子比例随着能量增强而增加，但在高能量区域显示出较缓慢的增加速度，并没有随时间演进而出现任何显著的变化，也没有出现任何特别入射方向。这些结果与正电子源自于太空的暗物质湮灭相符合，但尚未能足以确定并排除其它种解释。相关结果已发表于《物理评论快报》。AMS仍在收集更多数据。1998年6月，由丁肇中领导的国际团队建造完成AMS的雏型，编号为AMS-01，是侦测器的简单版本，并被发现号航天飞机执行STS-91任务送入太空。AMS-01没有侦测到任何反氦原子核，因此制定反氦原子与氦原子通量比率的上限为1.1×10−6，并且证实太空侦测器概念的可行性。经过AMS-01试验运作后，丁肇中团队开始发展与建造全功能研究系统，编号为AMS-02。这计划涉及了500名科学家，60所高等研究院与16个不同国家，由美国能源部负责领导。从这长久演进过程研发出的仪器是"至今为止送入太空最精致的粒子侦测器"，可以与各个主要粒子加速器所使用的特大侦测器相比较，并且比任何地面类似仪器还贵上很多倍。在研发的期间，它的任务目标也有所修改。完工成品是一种综合性侦测器，这样，比较有机会发现暗物质的蛛丝马迹，尽管它还有别的目标。AMS-02的动力需求很大，安装于独立航天器比较不实际，因此，已设定的计划是安装AMS-02为国际空间站的外部模组，这样，可以使用国际空间站的动力。在哥伦比亚号航天飞机灾难之后的计划是用航天飞机于2005年执行空间站装配（station assembly）任务UF4.1时运送AMS-02至国际空间站，但是技术困难与航天飞机排班问题导致更多延迟。在瑞士日内瓦的欧洲核子研究组织实验室里，AMS-02成功通过最后整合与运转检试，这包括暴露在粒子加速器生成的高能量核子束。之后，于2010年2月16日，AMS-02被运送至欧洲空间局位于荷兰的欧洲空间研究与技术中心。在那里，它又通过热平衡、电磁兼容性与电磁干扰等等严峻检试。AMS-02原本预定于2010年5月底前运送到美国佛罗里达州的肯尼迪航天中心，但由于必须完成最后粒子束准直检试，运送日期延迟至8月26日。专门为AMS-02设计的低温超导磁铁系统是关键技术，能够给出达成任务目标所需要的高灵敏度。在侦测器的发展后期，低温磁铁系统出现了反常加热问题，物理学者搞不清楚其物理机制与解决方法，这问题会造成需要更多低温冷却能力，显著地降低了原本系统的设计寿命（design life）。团队领导丁肇中因此决定放弃低温磁铁系统，转而改用一种先前已发展成功，但是功能较弱的永久磁铁系统。由于奥巴马政府（Obama administration）计划将国际空间站运作时期延长至2020年以后，这更换磁铁系统决定可以使得运作时间从短短的3年延长到多达10至18年。尽管非超导磁铁所产生的磁场是先前AMS-01超导磁铁的20%，它仍旧比任何现有的太空粒子侦测器好过百倍。更多数据搜集时间被认为比更高实验灵敏度重要得多，尽管已放弃的低温系统原本被认为是整个任务成功的关键技术。AMS-02先前设计寿命只有3年的系统组件，例如油漆、电路版、机械阀与线路等等，是否能够运作10至18年，仍有待观察。2011年5月16日，美国航空航天局奋进号航天飞机搭载阿尔法磁谱仪从佛罗里达州肯尼迪航天中心发射升空，前往国际空间站，这是奋进号最后一次执行太空任务。阿尔法磁谱仪是一个大型的粒子物理实验。它是在三十年来从数十个气球，飞船和地面探测实验得出来的宇宙线知识的基础上建立的。理论物理学家预测并在对撞机中寻找的几种粒子有可能在宇宙线中存在。实验则有可能探测到它们，并得到粒子和它们远方的天体来源的宝贵信息。阿尔法磁谱仪将具体观测太空中高能辐射下的电子，正电子，质子，反质子与核子。这些探测结果有可能解答关于宇宙大爆炸一些重要的疑问，例如“为何宇宙大爆炸产出如此少的反物质？”或“何等物质构成了宇宙中看不见的质量？”该计划产出两台设备，首台即通常意义上的阿尔法磁谱仪AMS-01于1998年6月2日由发现号航天飞机执行STS-91任务在肯尼迪航天中心39-A发射台送上太空。这个粒子物理的实验将在国际空间站(ISS)的主构架上被放置三年，远离大气层以保证不受干扰，并充分利用国际空间站上的系统来采集数据。原计划阿尔法磁谱仪由NASA的航天飞机送入太空。但由于航天飞机近年来事故的影响，现在已计划的飞行中确定发射阿尔法磁谱仪的任务。磁谱仪计划在2008年底前完成组装，自日内瓦运达美国肯尼迪航天中心。仪器大约每秒能纪录1,000个宇宙线，产生数量为1GB/秒。这些数据经过过滤和压缩成为300 kB/秒以下载至任务中心POCC。2012年7月，有报道称AMS-02已经观测到了超过180亿个宇宙线。2013年2月，丁肇中承认他将在几周内发表首份学术论文，内容是有关AMS前18个月的任务中所纪录的250亿个粒子事件（包括将近80亿个快速移动的电子和正电子）。该论文将显示0.5至 350 GeV幅度内的正电子电子比（positron-electron ratio），以提供能证明暗物质大质量弱相互作用粒子的模型。1999年，在 AMS-01 成功发射后，AMS项目共计耗资为3300万美元；而在2003年哥伦比亚号航天飞机灾难发生后，以及加上 AMS-02 面临的许多技术性建造难题，项目总花费升至15亿美元。因此该项目巨大的花费也引起了许多批评和争议的声音。AMS-02 将利用单一的太空环境去探询宇宙的奥秘，以尝试理解反物质、暗物质的构成要素以及测量宇宙线。实验证据显示银河系是由物质构成的；然而，科学家相信宇宙中存在有大约1000到2000亿个星系，一些大爆炸的理论要求必须有同等数量的物质与反物质的存在。是否存在一些主要的反物质是宇宙起源与自然状态的基本问题之一，在现今可见的宇宙范围中，明显的正反物质不对称性成了物理的最大难题之一。对于反物质核的任何观察将会证明反物质在宇宙中的存在。1999年，AMS-01在宇宙中设立的反氦/氦通量比新的上限为10−6。通过改进后AMS-02将研究更为敏感的10−9，以充分探寻扩展中的宇宙边缘与解决反物质这个难题。宇宙中的可见物质，例如星星，加起来的数量为宇宙中所有被人类已了解的5%以下。其余95%是暗物质与暗能量，暗物质估计占宇宙重量的20%，还有73%是一种导致宇宙加速膨胀的暗能量。超中性子被认为是暗物质的主要潜在候选成分。如果超中性子真的存在的话，它们应该与其他粒子碰撞并释放出能被AMS-02检测出的带电粒子。根据实验证明，夸克由上夸克、下夸克和奇异夸克等六类夸克组成(up, down, strange, charm, bottom 和 top) ；然而，地球上的大多物质仅仅由上夸克和下夸克构成（上、下夸克是构成核子的基本元素）。因此宇宙中是否存在由上夸克、下夸克和奇异夸克共同构成的稳定物质成为一个基本难题。奇异夸克团可能具有特别大或非常小的荷质比（charge-to-mass ratios），它可能会是一种全新的物质。AMS-02 将会探索出是否存在这种物质。宇宙线对于载人火星任务是一种主要的干扰物，因此需要适当的手段以精确地测量宇宙的射线环境。对于宇宙线的大多研究是通过气球运载仪器在数天内完成的，这些研究结果显示了射线的多样性。AMS-02 将通过国际空间站控制操作至少三年的时间，以收集大量精确的数据并测量在大幅度能量系统内射线的长期多样化。此外，还将帮助了解载人航天对于射线的防护要求，这些数据将有利于确定宇宙线的星际传播与射线的起源。2013年3月30日，欧洲核子研究组织新闻办事处发布AMS实验初步结果。4月3日，相关实验论文正式发表于《物理评论快报》。根据论文摘要，在能量范围0.5 to 350 GeV之间，已收集了大约6.8×106个正电子与电子事件。从10至250  GeV，正电子部分稳定随着能量增强而增加，但是从20至250 GeV，斜率减少一个数量级。在正电子比分能谱里，没有观测到任何精细结构，正电子与电子比率没有观测到任何各向异性。权威学者评论，从漫游于太空的阿尔法磁谱仪得到的初步结果，射向地球的宇宙线确定含有额外的高能量正电子。这些结果与正电子源自于太空的暗物质湮灭相符合，但尚未能足以确定并排除其它种解释。丁肇中表示，在未来数月内，AMS将能确定地让我们知道，这些正电子是否为暗物质的讯号，还是来自其它根源。