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科幻到现实只差一步：阿尔法磁谱仪数据证明暗物质存在的6个证据已找到5个
2014-09-22 13:40:56 来源:新华网暗物质是现有宇宙构成理论中最关键的假设之一，能够解决宇宙大爆炸理论的不自洽问题。为寻找暗物质，丁肇中于1995年提出了建造阿尔法磁谱仪的国际合作项目，中科院、上海交大、山东大学等中国科研机构都参与了磁谱仪核心部件的建造。2011年5月，阿尔法磁谱仪被送入太空，开始执行为期3年的暗物质探索任务。
到底什么是暗物质呢？上世纪二十年代，物理学家们提出了宇宙大爆炸的学说。根据这一学说，宇宙在大爆炸以前处于真空状态，大爆炸以后才形成了物质世界，据此推断就应该有反物质存在。此后，物理学家们开始了寻找反物质或称暗物质的努力。
“暗物质是一种人眼看不到的物质，想要证明它的存在可不容易。”国家天文台宇宙暗物质暗能量组首席研究员陈学雷介绍说，1930年左右，科学家发现有一些星系团中的物质，产生的引力要比其他可以看到的星系多一些，但是这些物质不发光，所以就起名为暗物质。
现有物理学假设认为，人类目前所认知的物质世界大概只占宇宙的4%。在这之外，那些不发光不发热的暗物质，则占了宇宙的23%，还有73%是暗能量。
由丁肇中教授领导阿尔法磁谱仪(AMS)项目是目前世界上规模最大的科学项目之一。阿尔法磁谱仪的结构很复杂，任务很艰巨，但它工作的基本原理却是高中物理中带电粒子在磁场中运动的知识。其实，阿尔法磁谱仪就是一个带电粒子探测器，其核心部件是由中国科学家和工程师经4年努力研制的永磁体，可以产生一个很强的磁场。当宇宙中的带电粒子穿过这个磁场时，磁场就对它施加洛仑兹力使之发生偏转，这时，记录有关数据，再用电子计算机进行数据处理，就可以从中区分出正电子等各种带电粒子。
寻找暗物质主要有3种途径。一种是利用粒子对撞产生直接暗物质；另一种是利用引力场间接探测。暗物质不发光，但是可以产生引力，因此可以通过对引力场变化的测量来寻找暗物质。中国主导的“熊猫计划”（PandaX）就是后一种方法的实践。
阿尔法磁谱仪项目代表了第三种途径。从理论上讲，暗物质相互碰撞会产生过量正电子（所带电荷量与我们常见的带负电的电子恰好相反），因此可以通过探测正电子来寻找暗物质。
自从2011年5月16日被安置到国际空间站迄今，阿尔法磁谱仪已运行四十多个月，共搜集了540亿个宇宙射线数据。刚刚公布的研究成果，是基于对最先收集到的410亿个数据的分析。在这些数据中，科学家观测到约1000万个电子与正电子，这是半世纪来检测到的正电子分率的最大值。
根据丁肇中研究小组此次在美国《物理评论快报》上发布的结果，已发现的宇宙射线中过量正电子的5个特征分别为：正电子比例上升是从8吉电子伏特（1吉等于10亿）的能量开始；在速率方面，正电子占电子与正电子总数的比例快速增加；在275吉电子伏特左右停止增长；比例上升的过程较为均衡，没有明显的峰值；还有正电子似乎来源于宇宙空间的各个方向，而不是某个特定方向。
据丁肇中介绍，证明暗物质所需的最后1个特征就是正电子的产生率会不会突然下降，“这个要花很多的时间，”丁肇中说，“很快下降一定是暗物质跟暗物质对撞产生正电子，因为暗物质能量有限，到一定能量以后就不可能再产生正电子，所以会突然下降。”
对于这一批数据的意义，丁肇中说：“到现在为止我们所得到的结果，没有一个和过去100年所收集的结果是一样，所以也可以这么说，就是所有的结果慢慢改变人类对于这些的了解。”
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