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    81岁丁肇中的最新发现或证实「反物质世界」的存在,

    2017年4月21日 来源: DeepTech深科技

    “宇宙起源于大约 137 亿年前一次大爆炸”,这个理论已经获得了大量的证据支持。该理论认为, 大爆炸之前没有物质, 因此大爆炸以后物质与反物质的数量应该一样多。

    可人类面临的现实情况是,物质世界产生了,反物质世界却迟迟没有现身。而这次,丁肇中似乎探寻到了反物质世界的蛛丝马迹。

    4 月 19 日,《Science》发表文章指出,对丁肇中而言,寻找反物质并非什么新闻,然而,最近在欧洲核子中心,而同样在2 月 16 日,在其工作了近 50 年麻省理工学院的一次对话中,丁肇中表示,阿尔发磁谱仪(AMS)可能捕获了一个质量更大而且更加奇特的反物质——反氦3。尽管反氦3可以在地面实验室中制备出来(保存时间非常短暂),但这种由两个反质子和一个反中子构成的反物质还是首次在太空中被发现。

    20 多年前,丁肇中说服基金会投资 15 亿美元建造了阿尔法磁谱仪(AMS)。2011 年,NASA 将这一 8.5 吨的磁铁运送到太空并与国际空间站(ISS)对接。这次,它再次受到世界瞩目。如同丁肇中报告结尾所说,AMS 终于实现了其设计初衷。

    AMS 实验是美国、中国 、俄罗斯、芬兰、法国、德国、意大利、瑞士等国首次在空间领域的合作。作为为数不多的获诺奖后依然活跃在科学前沿的科学家之一,丁肇中在这个探寻反物质的科学征程中投入了极大精力。启动后的很长一段时间里,AMS 实验充满曲折和变数,之所以能走到今天,离不开科学家们的坚持和实验本身的说服力。

    到现在为止,约有 900 亿个粒子飞进了 AMS 磁铁的“大嘴”。AMS 测量了这些粒子的质量和电荷。它们几乎全是质子和氦核子,还伴有少量的电子、碳核子、氧原子和铁原子。其中,还有少量比较珍贵的发现:反质子和正电子,分别是质子和电子的反物质。

    对于丁肇中来说,这些反物质是星系中存在暗物质的证据,暗物质在星系中产生额外的重力。但其他反对者却不这么认为,他们觉得这些反物质只不过是星系中某些司空见惯的事件的副产物而已。

    美国能源部 AMS 的项目管理人、物理学家Michael Salamon表示:“这个发现(反氦3)非常惊人的。”Salaman在休假时得知了这一消息。出乎人们意料的是,丁肇中表示他并不想立即发表文章或与理论物理学家讨论该现象。

    他想确认这个发现的可信度”,Salaman告诉《Science》。因为,在自然界中检测到反氦的存在足以震动整个宇宙学。一旦该结果被确认,那将证明了大爆炸之后反物质源的存在,而且意味着标准模型之外的粒子存在相互作用。这对于在今年 1 月步入 81 岁的丁肇中来说,无疑是对其终生事业的有力肯定和对反对者的最好回击。

    宇宙线中的带电粒子无法在地球上观测,而要分辨这些粒子的电荷符号, 就必须用磁铁来探测。在 1994 年,丁肇中提出用磁谱仪 AMS 在空间中进行粒子捕获。也是从那时起,他受到了严厉的质疑。

    有些人认为,这项由美国能源部和其他国家的机构所资助的项目,是政治运作的产物,并没有经过科学的审查,而且预言 AMS 的成绩将不会产生重要的科学价值。

    反对者之一、密歇根大学天体物理学家Greg Tarlé表示,丁肇中的实验结果充其量只能是“给媒体看的物理”。

    而丁肇中利用 AMS 取得的重要成果——围绕在星系中高能正电子的数目要远多于预期——也并没有平息反对者的质疑。

    反对者表示,这种正电子远高于预期的现象是由欧洲卫星发现的,AMS只是进行了确认,而且这一发现产生数百篇基于理论假设暗物质的论文和模型。这些粒子两两湮灭可以生成窄能带的电子——正电子数量对半的混合物,其中电子将会淹没到宇宙中无数的电子中,稀有的正电子则会凸显出来。

    丁肇中则认为,存在 1TeV 质能的暗物质是对该现象的最佳解释,尽管这个质能仅相当于一只正在飞行的蚊子。其他的研究者则更倾向于用更为熟悉的天体物理源来解释这个发现。

    近年来大量涌出的暗物质模型,包含丁肇中所提出的模型,“可能更多的是与团体运作以及他们写文章的数量有关,而不是与科学相关”,来自俄亥俄州立大学的天体物理学家Tim Linden表示。他和部分研究者认为,银河系就像一个被脉冲星和超新星搅得一团乱的实验台,脉冲星或是超新星将质子加速到非常高的能量后再将其送出去撞击低温气体,都会产生AMS探测到的反物质。

    但丁肇中所说的过去五年中所探测到的“四、五个”可能的反氦,将是与之前都不同的情况。麻省理工学院天体物理粒子学家Kerstin Perez表示,目前可以确信的是,一般意义上的天体物理过程或是暗物质粒子无法产生出这么多的反氦。作为采用气球收集反氦项目的共同领导者,她表示,如果丁肇中的说法是正确的,“这将是本质上的新现象”。

    这项结果也将证实丁肇中最初的设想。当年丁肇中向NASA和能源部(DOE)游说 AMS 的时候,他说可能会捕获到从反物质源逃出的反物质,解开关于宇宙大爆炸中隐藏已久的谜题:宇宙大爆炸产生同等数量的物质和反物质,之后它们互相湮灭,产生伽马射线,但是,为什么是物质而不是反物质来统治今天我们所看见的世界?

    关于这一谜题的解释,一种说法是因为物质和反物质存在一些本质的不同,另一种说法则认为这是随机决定的,如同抛硬币,而物质和反物质分别是硬币的两面。

    丁肇中企图寻找反物质源的想法惹怒了他的反对者,他们认为这是荒谬的,因为如果反物质源真的存在,那么宇宙中将存在比现在更多的伽马射线。而且,大型反物质粒子无法完好无损的到达AMS,更何况,即使反物质到达了,AMS能否区分反物质和检测噪声还是个问题。

    而在 AMS 内部也存在对丁肇中的质疑声,目前还不能排除该发现源于探测器失误的可能。因为,当一个带电粒子穿过甜甜圈型的磁铁时,受到磁场作用其运动轨迹会发生变化,这种变化可反映出带电粒子的电荷和动量。九个冷却的硅探测器用来检测带电粒子的轨迹,一年中差不多有十亿次的机会可以检测到氦核——这种具有两个正电荷的粒子。但是,每年也会有一两次集会检测到一个粒子具有两个负电荷,即丁肇中所说的反氦。这种情况也可能是氦核碰到其它原子反弹而引起的误检测。

    目前AMS团队正采用计算机模拟所有可能的路径。丁肇中说:“我们依然没有看到能够产生反氦3的其它情况,许多合作者认为我们应该发表这一成果。”

    这似乎是丁肇中的一贯作风。丁肇中的支持者,夏威夷大学的Philip von Doetinchem说:“这是他的行事风格,说话之前必须对结果有十足的把握。”

    但是丁肇中的反对者却不这么看,Tarlé认为丁肇中已经清楚这是由于探测器的仪器故障。对于Tarlé来说,丁肇中的行为无疑是“故作扭捏”以获得更多对该项目的支持。

    不过,丁肇中也确实需要这些支持。虽然2019年才需要对AMS进行评审,但美国能源部与其他保守的天体物理学家一样,已失去了耐心。

    “弄清某一特定宇宙射线的光谱特性是好的,但说实话,这并不怎么重要”,美国能源部AMS的项目管理人Salamon说道。更严峻的是,AMS用于冷却硅探测器的4台冗余泵仅有一台正常运行,而且是正在满负荷运行。

    如果 AMS 可以坚持到2024年,那时候美国和其他国家将停止对国际空间站的支持,AMS的检测数量相比现在要翻一番。那样的话,不仅可以使得反物质与平常粒子的检测数目对比更加明显,而且还可能为丁肇中提供更多捕获反氦的机会。

    不过,丁肇中并没声称拥有10个或更多的反氦将会从统计意义上提供更强有力的证据,他认为,每收集一个反氦都有其价值

    丁肇中表示,他正在计划更换失效的冷却泵,这涉及新系统的安装,需要宇航员进行太空行走才能完成。NASA的发言人也证实,正在制定计划拯救AMS。NASA已经投入1600万美金用以支持这项持续到2019年的太空行走计划。美国能源部和丁肇中的国际合作伙伴也为此购买了需要置换的部件。“钱不是问题”,丁肇中说。

    相信许多年后,即使AMS没有找到足够的反氦就坠落了,历史也会记住科学家们的尝试和努力。

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    糖糖不够多2017/5/1 1:37

    太极图也许就是一种空间启示黑洞面对的世界就是物质世界黑洞的另一面就是白洞它面对的可能是反物质世界

    女神冉2017/4/30 15:37

    正反物质发生湮灭反应其威力不是核武器能比的,因为其质量转化为光子的效率可以趋近百分之百,通古斯大爆炸很困难是实验造成的,但愿不要被用来制造武器,那将会成为全人类的灾难

    温柔的标靶2017/4/30 1:38

    4.7%这数据怎么来的

    鱼忆七秒2017/4/29 15:51

    什么是反物质,通俗点说

    悠悠云2017/4/28 5:55

    恕我直言,反物质没有引力(理论上),怎么利用?

    何必要在一起2017/4/27 23:22

    不知道反物质宇宙里的智慧生物有没有发现了我们

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