阿尔法磁谱仪在国际空间站上五年的结果

李世昌　许伟伟　翁致力　谢彩秀

阿尔法磁谱仪（Alpha Magnetic Spectrometer，AMS）已在国际空间站（International Space Station，ISS）上运行五周年，近日AMS合作组发布了五年以来的主要科学成果。

AMS是在太空运行的粒子物理探测器。AMS的独特之处在于，它在空间直接对宇宙中的带电粒子和核子进行测量。相较于以往的实验，AMS极大地提高了测量的准确度和精确度。AMS运行时间长，接受度大，探测器系统冗余可靠，并在欧洲核子研究组织（CERN）进行了细致的束流测试。这些特点保证AMS的测量精度达到1%的水平。自从2011年5月安装在国际空间站上以来，AMS已经收集了超过900亿宇宙线事例，并在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上发表了主要结果。这些精确的数据要求物理和天文学家创造出全新的模型来进行解释。

宇宙线分为两种：初级宇宙线和次级宇宙线。初级宇宙线由超新星爆发产生，它们在到达AMS之前已经在星系中穿行几百万年。次级宇宙线由初级宇宙线与星际物质（interstellar media，ISM）的相互作用产生。处于国际空间站上的独特位置，AMS利用其精确的探测器对宇宙线的电荷、能量和动量进行测量，以更深刻地了解暗物质，寻找原初大质量反物质，测量初级与次级宇宙线的特征以及搜寻潜在的新物理现象。这些都是现代物理研究中的基本问题。

AMS简要介绍

AMS是由美国国家航空与航天局（NationalAeronautics and Space Administration，NASA）及能源部共同支持，由美国、中国海峡两岸、德国、意大利、西班牙、瑞士、法国和俄罗斯等15个国家和地区共同参加的国际合作项目。

AMS探测器在位于日内瓦的CERN组装，在欧洲空间局（European Space Agency，ESA）位于荷兰的测试基地进行空间资格测试。在CERN，利用不同的粒子束流对探测器进行了全面的测试和校准。这些测试的结果为探测器在国际空间站上的运行提供了重要的参考标准。

作为“奋进号”航天飞机的最后一次任务，AMS探测器于2011年5月16日被送上国际空间站。安装在空间站上后，AMS开始收集宇宙线事例，并把数据传到运作控制中心。运作控制中心设立在CERN，另有一个亚洲运作控制中心设立在台湾。

AMS五年里共收集了超过900亿宇宙线事例。在国际空间站的寿命时间内，AMS将会测量到数千亿宇宙线事例。数据分析在位于CERN的科学运行中心和合作单位进行。AMS的科学目标包括：寻找反物质和暗物质，探寻宇宙线起源。在这五年里，AMS合作组对宇宙线中的基本粒子与核子进行了精确测量。

基本粒-y-测量

宇宙中有数百种带电基本粒子。其中的四种——电子（e'），质子（p），正电子（e+）以及反质子（p）具有无限长寿命，可以在宇宙中一直传播。电子和正电子的质量比质子和反质子小，在穿过星际磁场中会损失更多的能量。

近一百年来，有很多对电子、正电子和质子流强的测量。這些测量的误差很大，从而导致了很多不同的理论模型。目前，AMS的精确测量揭示了与以往实验结果所不同的新信息，这改变了物理学家对宇宙线的认识。

通过对1650万电子和108万正电子的测量，AMS结果表明：电子流与正电子流的强度不同，且随能量变化的行为也不一样。在AMS以前，宇宙线的流强被描述成幂律φ=cE^γ。其中，E为能量；γ是电子和正电子的能谱指数，是常数。但是，AMS的测量显示γ并不是常数。

在600亿电子伏以上，正电子、质子和反质子的流强显示出一样的随刚度变化的行为，而电子则完全不同。这是一个出乎意料的发现，因为电子与正电子在穿过星际磁场时损失等量的能量，而且比质子和反质子的能量损失要大得多。

暗物质粒子有关的测量

过去的几十年来，对暗物质的性质以及起源的研究得到了广泛的关注。暗物质粒子相互碰撞产生能量，进而转化成普通的粒子，例如正电子和反质子，可以通过以下三种方法研究正电子和反质子的超出：测量正电子流强；测量正电子比例e+/（e++e'）；测量反质子一质子比。

暗物质的典型信号是正电子和反质子流强，正电子比例以及反质子一质子比随能量增加而增多，然后在与暗物质粒子质量相应的能量处开始急剧下降。同时，额外超出的正电子和反质子到达方向上的各向同性也是暗物质的典型信号。

从80亿电子伏开始，正电子流强与正电子比例在传统宇宙线碰撞模型的基础上开始上升，之后在高能量处显示出急剧减少的趋势。正电子的数据符合暗物质粒子质量为1万亿电子伏的暗物质模型。另一个可以解释AMS正电子流强与正电子比例的模型认为正电子来源于天体物理现象，如脉冲星。通过在国际空间站预期的寿命内（2024年）持续地收集数据，AMS将可以分辨出这两个可能的模型。

宇宙中的反质子非常稀少，是质子的万分之一，因此对反质子的精确测量要求对本底的排除能力达到10^-6。AMS用了五年时间准确分辨出349 000个反质子事例，包括2200个能量高于1000亿电子伏特的反质子事例。宇宙线反质子的实验数据是了解宇宙中反质子起源的基础，同时它将有助于对新物理现象的探寻和理解。AMS测量了反质子一质子流强比例。AMS测量的反质子相对于宇宙线和星际物质碰撞模型的预言有明显超出。超出的反质子不可能来自于脉冲星，但可以由暗物质碰撞或其他新的天体物理现象解释。到目前为止，还不能区分暗物质和天体物理模型。到2024年，AMS对核子的精确测量（如硼一碳比）将会分辨这两种模型。

质子是宇宙线中最丰富的粒子。过去一百年里有很多质子流强的实验测量，这些测量误差很大。利用3亿个质子事例，AMS将质子流强测量精度提高到1%。测量结果显示，质子流强不能被简单地描述成单一规律。这一结果改变了几十年来人们对宇宙线的普遍认识。

字宙线中的核子测量

AMS通过7个探测器对不同种类的基本粒子和原多的数据，以确定这些电荷为一2的事例的来源。

五年以来，在国际空间站上，AMS收集到超过900亿个宇宙线事例。AMS的最新结果包括：正电子比例，反质子一质子比，以及电子、正电子、质子、反质子、氦核及其他核子的流强。这些出乎意料的精确数据与现有理论不符，需要全新的物理模型来描述，这将改变人们对宇宙线产生、加速以及传播的认识。同时，通过严格的探测器验证和持续的数据收集，我们将会确定所探测到的电荷为2的粒子的来源。最重要的是，当像AMS一样的精确实验被用于探索未知世界，我们可以期待崭新的发现。