宇宙中无所不在又无迹可寻的暗物质,似乎正从理论预言走向现实。4月3日,诺奖得主、美籍华裔物理学家丁肇中率领的AMS团队宣布发现超过40万个正电子,这些正电子可能来自人类一直寻找的暗物质。这个实验结果的发布,立即引起世界关注。
值得一提的是,这个点燃学界对破解暗物质之谜的热情和信心的项目,有着“广东制造”的身影,其热控系统为中山大学研发,丁肇中团队此次发表论文的作者也包含了18名中山大学参加AMS计划的师生。
暗物质就快找到?
由丁肇中教授主持的AMS(阿尔法磁谱仪项目)是安置于太空中的精密粒子探测装置,耗资21亿美元,是上世纪末和本世纪初世界上规模最大的科学计划之一,全世界有16个国家的600多位科学家参与了这一项目。
AMS以探测外层空间反物质与暗物质为目的,2011年5月16日,AMS由美国“奋进号”航天飞机送入太空,这次在《物理评论快报》(Physical Review Letters)宣布的成果是历时18年后的第一个实验成果。
AMS被认为代表近年来最具前瞻性和最复杂的实验。过去数十年,科学家认为宇宙是由“暗物质”所组成,但科学家对于看不见的暗物质了解模糊。如果实验结果证实确实存在暗物质,它将揭开科学家一直探讨的“宇宙是由什么所构成的”这个奥秘,证明理论上假设的粒子和力量确实存在。
广东省投入3000万科研经费
值得一提的是,这个在太空中筛检高能粒子的家伙有着“广东制造”的身影。中山大学物理科学与工程技术学院、空间技术中心主任何振辉教授介绍,中山大学参与的是AMS上最主要的探测器——径迹探测器的热控系统研发,即在复杂的空间环境中保持探测器需要的稳定温度和热环境。
该热控系统是国内大学参与AMS项目所研制的、唯一在太空上运行的装置。由于AMS每90分钟绕地球一周,其所在环境最低温零下90℃,最高230℃,热控系统相当于给所有原件穿上了一件“保温衣”。AMS所工作的温度要求不超过正负一度,当时是个非常大的挑战。
中山大学前后参与热控系统项目的师生有70多人,丁肇中此次发表论文作者就包含有18名中山大学参加AMS计划的师生。论文中特别提到,由中大负责研发的热控系统为探测器的精密工作提供了保障。
AMS的首个研究成果出炉后,丁肇中给中大校长许宁生写来贺信表扬中大团队:“中山大学对AMS项目的研发和组装有着卓越的贡献。”据悉,中大承担的这个项目得到省政府支持,广东省政府投入3000万元人民币的科研经费。
人物:中大博士与世界科学“大牛”合作
中大“85后”博士生翁致力硕博四年,三年半的时间在欧洲核子中心度过。中大与该项目合作近十年,共派出17位学生到欧洲核子中心AMS实验室工作,翁致力是最幸运的一位。在过去18个月,他参加了AMS数据重建和分析工作。由于出色的表现,翁致力受到丁肇中邀请,将继续在欧洲核子中心完成其博士后科研。近日,刚从瑞士回国的翁致力讲述了与科学“大牛”们合作的故事。
丁肇中对“不出错”的要求十分苛刻,“我想今后50年里也不可能有人再做这么大、这么困难的实验了”。AMS升空后,他每天召集会议分析,并将数据分析团队分成两个小组,互不通气,独立拿出结论,以保证结果的可信度。翁致力所在小组有来自美国、中国和瑞士的科学家,多是领域内数一数二的专家。
翁致力说,与各国科学家们交流的机会更多是在各种会议的讨论上,大家都会毫无保留地表达见解,也会毫无保留对其他人的方法提出意见和批评。有时产生争论,这些科学家让他最敬佩的是,无论开会争论多激烈,私底下立刻有说有笑,不会产生一丝隔阂。
在师弟师妹眼中,翁致力四年硕博生涯很传奇。翁致力却认为,这四年与国内大学没有本质差别,因为“无论在国外还是国内,要做好研究工作都需要独立思考与勤奋的工作”。
翁致力说,在日内瓦,除了旅游方便外,大部分时间都在办公室埋头苦干,并没有像美剧《生活大爆炸》里那么多姿多彩。
这18个月整理的数据量是个什么概念?翁致力说,相当于要1000台日常用的笔记本的cpu(速率2.4g)连续每天24小时不断运作上一个月。
由于出色的工作,这位有些腼腆的理科生得到了世界顶尖科学家非常高的评价。丁肇中在给中大的感谢信中对其评价道:“翁致力先生对AMS数据分析做出了重要的贡献。他与美国麻省理工学院的科学家合作并受到他们的重视,大家都肯定了他是多年来与我们合作的最优秀的中国青年科学家。”
科研进展:暗物质还是脉冲星 下阶段数据公布可辨别
AMS(阿尔法磁谱仪)实验组的何振辉教授昨日表示,该实验组近日收获的重要实验结果,让人类对暗物质的认识又进了一步。未来几年内,丁肇中教授及AMS团队极有可能找到证明暗物质存在的重要依据。
何振辉说,AMS探测到的数据说明,在高能端比标准模型中多出的那部分正电子从理论上有两种可能的来源,即暗物质来源和脉冲星来源。这两个理论预言在论文公开的能量段内看不出差异,但在更高的能量段就有不同。因此,在AMS获得更多的高能端数据后,就可以辨别哪个理论的预言是对的。
中科院高能物理所研究员陈国明说,现在科学家还不能确定新发现的正电子来源肯定是暗物质,因为有一些脉冲星也可能为地球带来正电子。一般来说,来自脉冲星的正电子应来自一个方向,但目前AMS看到的正电子是各向同性的,这对脉冲星起源说不利。不过也有科学家认为,离地球较远的脉冲星发出正电子经过复杂的磁场偏转及星际物质的相互作用,也会变得各向同性。
知多D:暗物质与正电子
宇宙由物质组成。人类已知的物质是正物质,由原子组成。反物质则由带负电的质子和带正电的电子组成。暗物质是看不见的物质,被认为是宇宙研究中最具挑战性的课题,它代表了宇宙中90%以上的物质含量,而我们可看到的物质只占宇宙总物质量的5%左右。暗物质无法直接观测得到,但它却能干扰星体发出的光波或引力,其存在能被明显地感受到。科学家曾对暗物质的特性提出了多种理论假设,但直到目前还没有得到充分的证明。
物理学的基本常识告诉人们,电子都是带负电的。少量的来自于次级相互作用的正电子是可以理解的。现在科学家们确认了大量的正电子存在,这个“事件”超出了人类已有的知识范畴,是物理学的标准模型中所没有的。因而用新的物理学模型正确解释正电子的存在(暗物质的存在),或许就是物理学及人类认识上的重大突破。