我所经历的现代物理及体会(四)

2019-05-24丁肇中

实验室研究与探索 2019年4期

丁肇中

(麻省理工学院，马萨诸塞州 02179-4307，美国)

5 自然科学的研究，是具有竞争性的，只有第一，没有第二(续)

第二个目标：精确测量宇宙线。AMS有7个探测器，对宇宙线的各种原子核进行精确的测量。宇宙线有2种：初级宇宙线和次级宇宙线。初级宇宙线就是很原始的宇宙线，比方说质子，氦，碳，氧……产生以后，在宇宙中飞行几百万年，被AMS探测到。初级宇宙线从他们的起源一直传播到AMS。所以，初级宇宙线携带了关于他们起源和传播的信息。

在AMS之前，过去100年来全球测量质子流强的实验最好的结果仍具有很大的误差，相互之间不一致。这限制了对宇宙线的认识。有很多不一样的结果，就意味着任何理论都可以符合。AMS采集了3亿个结果，(在2 000亿eV前)符合理论预测的结果，但到2 000亿eV之后就不一样了，有新的现象存在。实验的结果和理论预测不一样，推翻了几十年来的传统理论(图27)。

图27 AMS质子流强实验新结果

在我们之前，测量初级宇宙线(氦，碳、氧)的结果没有一个清楚的规律。但我们的结果非常奇怪，AMS初级宇宙线的测量结果是，氦、碳、氧随着刚度的增加发生完全相同的变化。氦测了9 000万个数据，碳840万个数据，氧700万个数据，量是很大的(图28)。

图28 AMS初级宇宙线的测量结果

同时有一个现象，在2 000亿V以后，氦，碳、氧以完全相同的方式上升，这是出乎意料的结果。没有任何一个结果和以前的结果是一样的，没有任何一个结果和理论推测是一样的。用中国话说，叫“天下大乱”了。

除了初级宇宙线以外，还有次级宇宙线(锂，铍，硼…)。次级宇宙线是由初级宇宙线和星际物质碰撞产生的，所以次级宇宙线提供了宇宙线传播过程和星际物质的特性。锂测了190万个数据，铍90万个数据，硼260万个数据。次级宇宙线(锂、铍和硼)随着刚度具有相同的行为，而且他们在2 000亿伏的刚度以后也都发生相同的变化。但是，次级宇宙线和初级宇宙线随刚度发生不同的变化(图29)，这是想象不到的结果。

图29 次级宇宙线和初级宇宙线随刚度发生的变化

“碳-氮-氧循环”是恒星能量的来源，是1939年Bethe提出来的，他因此在1967年拿到诺贝尔奖。

“It is shown that the most important source of energy in ordinary stars is the reactions of carbon and nitrogen with protons. These reactions form a cycle in which the original nucleus is reproduced … “

过去科学家测量在太阳系内碳、氮、氧元素的比例为：氮/氧=0.17，碳/氧=0.54。AMS 测量的银河系中的元素比例有很大不同；氮/氧=0.09，碳/氧=0.90。

在宇宙中除了原子外还有上百种带电的基本粒子。只有电子、质子、正电子和反质子具有无限长的寿命,能够在宇宙中一直穿行，直到被AMS接收为止。根据测量，随着能量的增加，质子和反质子的能谱具有相同的行为(图30)。如果大家认为反质子是质子碰撞的产物，就很难想象这种结果。

最出乎意料的结果：正电子、反质子和质子的能谱是一样的，但是反质子和质子的质量比正电子的质量大2000倍。这和地面上的经验完全不同。电子的能谱是完全不一样的(图31)。2018年4月15日，我在西班牙组织了一个国际会议，邀请了世界上最有名的科学家来讨论这个结果，到现在为止，还没有人能解释。

美国物理学会过去10年(2007—2017)共发表了20 000篇重要物理结果(PRL)，其中52篇最重要的物理结果入选“编辑建议”十周年回顾, 包括：

图30 AMS测量随着能量的增加，质子和反质子的能谱行为

图31 AMS测量的正电子、反质子和质子的能谱

· AMS暗物质论文

· 发现重力波(2017年获诺贝尔奖)

· 发现117号元素

能看出，AMS已经开始为人类的知识做出重要贡献。

AMS的另一个目标是寻找由反物质组成的宇宙。如果宇宙起始于大爆炸，大爆炸之前是真空，那么大爆炸之后应该有相同数量的物质与反物质。过去50年，没有实验在太空中精确地寻找到反物质。所以，理论物理学家认为，对称性是破坏的，对称性理论是错误的，反物质在宇宙中是不存在的。

正因如此，过去50年大家都在找对称性破坏，却没有找到。但AMS找到了若干哥反氦-4的候选事例。图32是其中一个事例，测量到这个反氦-4的动量=32.6 ± 2.5 GeV/c，电荷=-2.05±0.05。(现观测的)所有氦的电荷都是正的，只有它是负的。它的质量=3.81±0.29 GeV/c2，而4He质量=3.73 GeV/c2，质量是一样的，唯一不同的就是电荷。这表示宇宙中非常非常有可能有反粒子存在。找这种氦是很困难的。每1亿个氦数据中，只有1个反氦。为了确保数据的准确性，现在正在对探测器进行精确的验证。

我们测量的正电子的结果和暗物质的理论是符合的，但是要完全证明找到暗物质，还需要几年的时间。宇宙线的各种原子核的能量分布，都与现有的宇宙线理论不符合。AMS推翻了以前所有的理论，带来了新的知识。

但AMS最重要的结果是，探索到自然界中存在,然而我们却无法想像的,前所未有的现象。这才叫“向前走”。

我刚拿到物理博士学位的时候是上世纪60年代，那时候最新的仪器是美国300亿eV的质子加速器。根据专家的意见，(原定目标)是了解原子核力的来源。实际发现是2种中微子、时间对称破缺、J粒子；70年代，美国4 000亿eV的质子加速器，原来是想找中微子，实际上发现了第5种夸克、第6种夸克；

上世纪70年代，美国60亿正负电子对撞机，原来的目标是量子电动力学，实际的发现是部分子、第4种夸克、第3种电子；80年代，德国4 00亿eV正负电子对撞机，原来的目标是第6种夸克(实际的发现是胶子(有中国科学家参与))；2000年，日本地下实验室，原来的目标是质子寿命(实际的发现是中微子有质量)；哈伯望远镜，原来的目标是银河探索，最后找到了暗能量(表1)。