搜寻反物质星系
Patrick Barry
译自NASA，2009年8月14日
2009年8月14日：NASA的航天飞机计划正逐渐接近尾声。在接下来将进行的大约6次飞行中，航天飞机机组将完成国际空间站（ISS）的建造，为这次为期12年的空前轨道建设画上句号。美国太空计划的标志与重负荷航天器将完成它那伟大的任务。
但是如苹果公司首席执政官史蒂夫·乔布斯（Steve Jobs）所说，还有一件事情……
2008年的一项国会法令让该计划接近尾声的时候增加了又一次飞行。当下航天飞机这次额外的飞行预计在2010年完成，将展开搜寻反物质星系的任务。
实际进行搜索的设备名为阿尔法磁谱仪，简称为AMS。这是一台价值15亿美元的宇宙线探测器，航天飞机会将其运载到ISS上。
右图：阿尔法磁谱仪。大图请点击（图片提供：MIT）
除了探测完全由反物质组成的遥远星系以外，AMS还可以检测关于暗物质的主导理论，这是一种不可见的神秘物质，占据宇宙中所有物质的83%。它还将搜寻奇异夸克团，这是理论预言的一种物质形态，由于包含所谓奇异夸克的缘故，质量非常大。对奇异夸克团的更好理解可以帮助科学家研究微类星体以及蒸发中的原初微黑洞，进而说明这类小型黑洞存在与否。
所有这样奇异的现象都可以通过辐射出的超高能宇宙线来昭示它们的存在——而AMS探测这类粒子的能力胜于其他设备。
诺贝尔奖得主、麻省理工学院的物理学家丁肇中说：“AMS将首次精确测量超高能宇宙线粒子。”丁肇中构想出了AMS，并从1995年起就指导了其开发过程。
反物质星系、暗物质、奇异夸克团——这些只还是科学家已经知道的东西。如果历史会引导什么的话，最激动人心的大学将是任何人都不曾想象过的东西。就好比是射电与红外望远镜曾经揭示出了传统光学望远镜所不能看到的宇宙现象那样，AMS将打开宇宙探索的另一面。
丁肇中说：“我们将去探索一整个新的领域。发现的可能性好到了极点。”
丁肇中经常将AMS与高能粒子加速器相比，如CERN在瑞士日内瓦的那台。与探测整个星系中的高速宇宙线粒子不同，这些地下加速器自己利用大量的电力来造就自己的局域粒子。为了研究粒子，CERN与AMS使用了同样的基本诀窍：使用强磁场让粒子偏转，探测器内部的硅板阵列以及其他传感器追踪着粒子弯曲的径迹。
CERN暨欧洲核子中心的航空照片。阿尔法磁谱仪是某种“迷你CERN”的太空版。大图请点击（图片提供：CERN）
数千吉兆的数据从传感器中倾泻而出，超级计算机处理着这些数据，以获取粒子的质量、能量和电荷。超级计算机是AMS必须固定在ISS上而非作为独立飞行的卫星存在的一个原因。AMS产生的数据过多，不能传回地球，因此它必须携带拥有650个CPU的计算机，以在轨道上进行数据处理。部分由于其巨型计算机的缘故，AMS需要2.5千瓦的电力——比通常卫星的太阳能电池板所能提供的要多得多，但是还是在空间站100千瓦供电能力之内的。
丁肇中说：“本质上说，AMS是搬到太空中的全功能粒子探测器。”
不过AMS与地下加速器之间有两个重要的区别。其中之一是，AMS将探测重核等粒子，它们的能量比粒子加速器所能够达到的要高得多。世界上最强大的粒子加速器是CERN的大型强子对撞机，可以让总能量达到7万亿电子伏特（TeV，在粒子物理学中是描述能量的常用方法）的粒子相互碰撞。作为比较，宇宙线可以拥有100兆万亿电子伏特甚至更多的能量。另一个重要的区别是，加速器让粒子彼此撞碎，以图了解粒子自身；而AMS为了了解更多关于宇宙的信息，将为来自深空的高能粒子采样。
右图：MIT的物理学教授丁肇中，他是1976年诺贝尔奖得主，也是AMS小组的领导者。大图请点击
举例来说，宇宙学中一个长久的谜题是有关遗失的反物质的。根据物理学家最好的模型，大爆炸会产生与物质等量的反物质。那么所有的反物质跑到哪里去了呢？它不会处在邻近的地方，原因是如果那里存在反物质，我们就会看到明亮的X射线辐射，这是与物质接触的反物质发生湮灭形成的。
一条解释是，某些遥远的星系完全是由反物质而非物质组成的。由于反物质看起来与常规物质并无不同，天文学家并不能单纯凭借观测来区分某个遥远的星系是由物质还是反物质组成的。不过哪怕AMS只探测到了单独一个反氦核子或是更重的反元素，它都可以找到反物质星系存在的强有力证据。
地球附近宇宙线的碰撞可以产生反物质粒子，但碰撞产生完整反氦核子的机会是难以察觉的小，哪怕只找到一个反氦原子核都会强烈表明，这一核子是从宇宙远方由反物质支配的区域漂移到地球附近的。
艺术家笔下安装在国际空间站上的阿尔法磁谱仪。大图请点击
意大利的PAMELA卫星等仪器已经搜寻过反氦核了，但是其中没有一台设备的灵敏度足够高，可以排除反星系的存在。AMS的粒子搜集能力比之前发射的任何仪器都要高上大约200倍。如果AMS没有找到反氦核，丁肇中说，科学家就可以知道，在1000兆秒差距——大约也就是可观测宇宙的边缘——内就没有任何反物质星系存在。
AMS将协助解决的另一条谜题是暗物质的本质。科学家知道，宇宙的大部分实际上是由不可见的暗物质而非普通物质组成的。他们只是不知道暗物质究竟是什么。一个主导理论是，暗物质是由名为中性子（Neutralino）的粒子组成的。中性子之间的碰撞将产生大量的高能正电子，因此AMS可以寻找高能正电子的超出，以证明暗物质的成分是否是中性子。
丁肇中说：“我们第一次有了可以探明暗物质的成分的机会。”
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