在質(zhì)疑聲中，81歲的丁肇中或將證實(shí)“反物質(zhì)世界”的存在

相信許多年后，即使AMS沒(méi)有找到足夠的反氦就墜落了，歷史也會(huì )記住科學(xué)家們的嘗試和努力。

“宇宙起源于大約 137 億年前一次大爆炸”，這個(gè)理論已經(jīng)獲得了大量的證據支持。該理論認為, 大爆炸之前沒(méi)有物質(zhì), 因此大爆炸以后物質(zhì)與反物質(zhì)的數量應該一樣多。

可人類(lèi)面臨的現實(shí)情況是，物質(zhì)世界產(chǎn)生了，反物質(zhì)世界卻遲遲沒(méi)有現身。而這次，丁肇中似乎探尋到了反物質(zhì)世界的蛛絲馬跡。

4 月 19 日，《Science》發(fā)表文章指出，對丁肇中而言，尋找反物質(zhì)并非什么新聞，然而，最近在歐洲核子中心，而同樣在2 月 16 日，在其工作了近 50 年麻省理工學(xué)院的一次對話(huà)中，丁肇中表示，阿爾發(fā)磁譜儀（AMS）可能捕獲了一個(gè)質(zhì)量更大而且更加奇特的反物質(zhì)——反氦3。盡管反氦3可以在地面實(shí)驗室中制備出來(lái)（保存時(shí)間非常短暫），但這種由兩個(gè)反質(zhì)子和一個(gè)反中子構成的反物質(zhì)還是首次在太空中被發(fā)現。

20 多年前，丁肇中說(shuō)服基金會(huì )投資 15 億美元建造了阿爾法磁譜儀（AMS）。2011 年，NASA 將這一 8.5 噸的磁鐵運送到太空并與國際空間站（ISS）對接。這次，它再次受到世界矚目。如同丁肇中報告結尾所說(shuō)，AMS 終于實(shí)現了其設計初衷。

AMS 實(shí)驗是美國、中國 、俄羅斯、芬蘭、法國、德國、意大利、瑞士等國首次在空間領(lǐng)域的合作。作為為數不多的獲諾獎后依然活躍在科學(xué)前沿的科學(xué)家之一，丁肇中在這個(gè)探尋反物質(zhì)的科學(xué)征程中投入了極大精力。啟動(dòng)后的很長(cháng)一段時(shí)間里，AMS 實(shí)驗充滿(mǎn)曲折和變數，之所以能走到今天，離不開(kāi)科學(xué)家們的堅持和實(shí)驗本身的說(shuō)服力。

到現在為止，約有 900 億個(gè)粒子飛進(jìn)了 AMS 磁鐵的“大嘴”。AMS 測量了這些粒子的質(zhì)量和電荷。它們幾乎全是質(zhì)子和氦核子，還伴有少量的電子、碳核子、氧原子和鐵原子。其中，還有少量比較珍貴的發(fā)現：反質(zhì)子和正電子，分別是質(zhì)子和電子的反物質(zhì)。

對于丁肇中來(lái)說(shuō)，這些反物質(zhì)是星系中存在暗物質(zhì)的證據，暗物質(zhì)在星系中產(chǎn)生額外的重力。但其他反對者卻不這么認為，他們覺(jué)得這些反物質(zhì)只不過(guò)是星系中某些司空見(jiàn)慣的事件的副產(chǎn)物而已。

美國能源部 AMS 的項目管理人、物理學(xué)家Michael Salamon表示：“這個(gè)發(fā)現（反氦3）非常驚人的。”Salaman在休假時(shí)得知了這一消息。出乎人們意料的是，丁肇中表示他并不想立即發(fā)表文章或與理論物理學(xué)家討論該現象。

“他想確認這個(gè)發(fā)現的可信度”，Salaman告訴《Science》。因為，在自然界中檢測到反氦的存在足以震動(dòng)整個(gè)宇宙學(xué)。一旦該結果被確認，那將證明了大爆炸之后反物質(zhì)源的存在，而且意味著(zhù)標準模型之外的粒子存在相互作用。這對于在今年 1 月步入 81 歲的丁肇中來(lái)說(shuō)，無(wú)疑是對其終生事業(yè)的有力肯定和對反對者的最好回擊。

宇宙線(xiàn)中的帶電粒子無(wú)法在地球上觀(guān)測，而要分辨這些粒子的電荷符號, 就必須用磁鐵來(lái)探測。在 1994 年，丁肇中提出用磁譜儀 AMS 在空間中進(jìn)行粒子捕獲。也是從那時(shí)起，他受到了嚴厲的質(zhì)疑。

有些人認為，這項由美國能源部和其他國家的機構所資助的項目，是政治運作的產(chǎn)物，并沒(méi)有經(jīng)過(guò)科學(xué)的審查，而且預言 AMS 的成績(jì)將不會(huì )產(chǎn)生重要的科學(xué)價(jià)值。

反對者之一、密歇根大學(xué)天體物理學(xué)家Greg Tarlé表示，丁肇中的實(shí)驗結果充其量只能是“給媒體看的物理”。

而丁肇中利用 AMS 取得的重要成果——圍繞在星系中高能正電子的數目要遠多于預期——也并沒(méi)有平息反對者的質(zhì)疑。

反對者表示，這種正電子遠高于預期的現象是由歐洲衛星發(fā)現的，AMS只是進(jìn)行了確認，而且這一發(fā)現產(chǎn)生數百篇基于理論假設暗物質(zhì)的論文和模型。這些粒子兩兩湮滅可以生成窄能帶的電子——正電子數量對半的混合物，其中電子將會(huì )淹沒(méi)到宇宙中無(wú)數的電子中，稀有的正電子則會(huì )凸顯出來(lái)。

丁肇中則認為，存在 1TeV 質(zhì)能的暗物質(zhì)是對該現象的最佳解釋?zhuān)M管這個(gè)質(zhì)能僅相當于一只正在飛行的蚊子。其他的研究者則更傾向于用更為熟悉的天體物理源來(lái)解釋這個(gè)發(fā)現。

近年來(lái)大量涌出的暗物質(zhì)模型，包含丁肇中所提出的模型，“可能更多的是與團體運作以及他們寫(xiě)文章的數量有關(guān)，而不是與科學(xué)相關(guān)”，來(lái)自俄亥俄州立大學(xué)的天體物理學(xué)家Tim Linden表示。他和部分研究者認為，銀河系就像一個(gè)被脈沖星和超新星攪得一團亂的實(shí)驗臺，脈沖星或是超新星將質(zhì)子加速到非常高的能量后再將其送出去撞擊低溫氣體，都會(huì )產(chǎn)生AMS探測到的反物質(zhì)。

但丁肇中所說(shuō)的過(guò)去五年中所探測到的“四、五個(gè)”可能的反氦，將是與之前都不同的情況。麻省理工學(xué)院天體物理粒子學(xué)家Kerstin Perez表示，目前可以確信的是，一般意義上的天體物理過(guò)程或是暗物質(zhì)粒子無(wú)法產(chǎn)生出這么多的反氦。作為采用氣球收集反氦項目的共同領(lǐng)導者，她表示，如果丁肇中的說(shuō)法是正確的，“這將是本質(zhì)上的新現象”。

這項結果也將證實(shí)丁肇中最初的設想。當年丁肇中向NASA和能源部（DOE）游說(shuō) AMS 的時(shí)候，他說(shuō)可能會(huì )捕獲到從反物質(zhì)源逃出的反物質(zhì)，解開(kāi)關(guān)于宇宙大爆炸中隱藏已久的謎題：宇宙大爆炸產(chǎn)生同等數量的物質(zhì)和反物質(zhì)，之后它們互相湮滅，產(chǎn)生伽馬射線(xiàn)，但是，為什么是物質(zhì)而不是反物質(zhì)來(lái)統治今天我們所看見(jiàn)的世界？

關(guān)于這一謎題的解釋?zhuān)环N說(shuō)法是因為物質(zhì)和反物質(zhì)存在一些本質(zhì)的不同，另一種說(shuō)法則認為這是隨機決定的，如同拋硬幣，而物質(zhì)和反物質(zhì)分別是硬幣的兩面。

丁肇中企圖尋找反物質(zhì)源的想法惹怒了他的反對者，他們認為這是荒謬的，因為如果反物質(zhì)源真的存在，那么宇宙中將存在比現在更多的伽馬射線(xiàn)。而且，大型反物質(zhì)粒子無(wú)法完好無(wú)損的到達AMS，更何況，即使反物質(zhì)到達了，AMS能否區分反物質(zhì)和檢測噪聲還是個(gè)問(wèn)題。

而在 AMS 內部也存在對丁肇中的質(zhì)疑聲，目前還不能排除該發(fā)現源于探測器失誤的可能。因為，當一個(gè)帶電粒子穿過(guò)甜甜圈型的磁鐵時(shí)，受到磁場(chǎng)作用其運動(dòng)軌跡會(huì )發(fā)生變化，這種變化可反映出帶電粒子的電荷和動(dòng)量。九個(gè)冷卻的硅探測器用來(lái)檢測帶電粒子的軌跡，一年中差不多有十億次的機會(huì )可以檢測到氦核——這種具有兩個(gè)正電荷的粒子。但是，每年也會(huì )有一兩次集會(huì )檢測到一個(gè)粒子具有兩個(gè)負電荷，即丁肇中所說(shuō)的反氦。這種情況也可能是氦核碰到其它原子反彈而引起的誤檢測。

目前AMS團隊正采用計算機模擬所有可能的路徑。丁肇中說(shuō)：“我們依然沒(méi)有看到能夠產(chǎn)生反氦3的其它情況，許多合作者認為我們應該發(fā)表這一成果。”

這似乎是丁肇中的一貫作風(fēng)。丁肇中的支持者，夏威夷大學(xué)的Philip von Doetinchem說(shuō)：“這是他的行事風(fēng)格，說(shuō)話(huà)之前必須對結果有十足的把握。”

但是丁肇中的反對者卻不這么看，Tarlé認為丁肇中已經(jīng)清楚這是由于探測器的儀器故障。對于Tarlé來(lái)說(shuō)，丁肇中的行為無(wú)疑是“故作扭捏”以獲得更多對該項目的支持。

不過(guò)，丁肇中也確實(shí)需要這些支持。雖然2019年才需要對AMS進(jìn)行評審，但美國能源部與其他保守的天體物理學(xué)家一樣，已失去了耐心。

“弄清某一特定宇宙射線(xiàn)的光譜特性是好的，但說(shuō)實(shí)話(huà)，這并不怎么重要”，美國能源部AMS的項目管理人Salamon說(shuō)道。更嚴峻的是，AMS用于冷卻硅探測器的4臺冗余泵僅有一臺正常運行，而且是正在滿(mǎn)負荷運行。

如果 AMS 可以堅持到2024年，那時(shí)候美國和其他國家將停止對國際空間站的支持，AMS的檢測數量相比現在要翻一番。那樣的話(huà)，不僅可以使得反物質(zhì)與平常粒子的檢測數目對比更加明顯，而且還可能為丁肇中提供更多捕獲反氦的機會(huì )。

不過(guò)，丁肇中并沒(méi)聲稱(chēng)擁有10個(gè)或更多的反氦將會(huì )從統計意義上提供更強有力的證據，他認為，每收集一個(gè)反氦都有其價(jià)值。

丁肇中表示，他正在計劃更換失效的冷卻泵，這涉及新系統的安裝，需要宇航員進(jìn)行太空行走才能完成。NASA的發(fā)言人也證實(shí)，正在制定計劃拯救AMS。NASA已經(jīng)投入1600萬(wàn)美金用以支持這項持續到2019年的太空行走計劃。美國能源部和丁肇中的國際合作伙伴也為此購買(mǎi)了需要置換的部件。“錢(qián)不是問(wèn)題”，丁肇中說(shuō)。

相信許多年后，即使AMS沒(méi)有找到足夠的反氦就墜落了，歷史也會(huì )記住科學(xué)家們的嘗試和努力。

編者按：本文轉載自DeepTech深科技

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