4月3日晚，诺贝尔奖获得者、华裔物理学家丁肇中及其阿尔法磁谱仪项目团队宣布的成果，让人类在认识暗物质的道路上迈出了重要一步。这项被誉为具有“史无前例的灵敏度”的新成果，在很大程度上要归功于阿尔法磁谱仪有着一颗强大的“中国心”。
■本报记者 潘希 廖洋 实习生 石蓬波
科学家们认为，在宇宙的构成中，人类已知物质仅占4%左右，而暗物质几乎是已知物质的6倍，但人类一直未找到它存在的证据。
4月3日晚，诺贝尔奖得主、华裔物理学家丁肇中及其阿尔法磁谱仪项目团队宣布的成果，让人类在认识暗物质的道路上迈出了重要一步。
丁肇中团队借助阿尔法磁谱仪（AMS）已发现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。
这项被誉为具有“史无前例的灵敏度”的新成果，很大程度上归功于阿尔法磁谱仪有着一颗强大的“中国心”——一块中国制造的巨大永磁铁。
“这块巨大的永磁铁是阿尔法磁谱仪最重要的部件之一，是中国科学家的智慧和创新。有了它，才能区分粒子的电荷。”4月7日，AMS项目首批科学家和主要成员之一、中科院院士陈和生在接受《中国科学报》记者采访时说。
中国“魔环”显神力
“这是美国航天飞机第一次搭载来自中国的载荷，更是人类送入太空的第一块大型磁体。”陈和生说。
然而，要想设计制造出这样一块大型磁体却并非易事。
早在上世纪60年代，科学家就希望能将大型磁谱仪送入太空，但是一直无法造出无漏磁、无二极磁矩的大型磁体。研制无漏磁、无二极磁矩大型磁体，并符合美国宇航局严格的安全要求放入太空，是AMS项目的最大挑战之一。
直到一次偶然的机会，丁肇中在美国一份文献中看到中科院电工所的论文，发现中国能制造出这种特殊的磁体。他把这一方案带回美国，在获得一致肯定后，与中方签署了合作协议。
“中科院电工所的设计非常巧妙，我们叫它‘魔环’设计。与其他国家的方案相比，这个方案具有重量轻、无漏磁、无二极磁矩及磁场均匀等优点。”陈和生说。
从1995年到1997年间，根据中科院电工所的“魔环”构思，科学家将这块磁铁设计并制造了出来，并做了多次空间环境模拟试验，完全达到美国宇航局严格的安全要求。
丁肇中在接受采访时说：“近40年无法解决的难题，最后还是由中科院电工所解决了”，“如果缺少了中国科学家，如何将大型磁体放入太空这个几十年来的难题恐怕现在还无法解决”。
据了解，中国科学家选择的新型高磁能积钕铁硼材料，采用独特的磁路设计，完全符合实验要求，可使磁谱仪使用寿命长达20年。
“1998年，AMS第一次上天，大型磁体工作正常。时隔13年后在2011年再次测量它的磁场，变化小于千分之一。AMS又再次使用这个大型磁体，将之送到国际空间站。”陈和生认为，这块“中国心”的质量和性能非常好。
同时，探测器关键部分的电磁量能器由中科院高能物理所、中国运载火箭技术研究院的科学家和意大利、法国同行合作研制。 “它能精确测量电子和正电子的能量，并排除正电子小号的主要本底质子，误判率小于万分之一。”陈和生说。
发现暗物质可能痕迹
正是有了这块“中国心”，AMS项目才得以顺利实施。
AMS在国际空间站运行至今，已观测超过300亿个宇宙射线，最高能量达数万亿电子伏特。AMS的永久磁铁及其精密粒子探测器每年记录约160亿个宇宙射线信号，并传送到地面，由AMS实验项目组分析。
AMS热系统总负责人、山东大学教授程林说，截至2012年12月10日，在前18个月的太空实际探测运转中，AMS分析了250亿个初级宇宙射线。“我们确认了其中的680万个电子及其反粒子——正电子的事例。”
丁肇中在论文中这样表述：“正电子比分能谱未显示其有结构或随时间改变。正电子与电子的比率没有显示出空间的各向异性，即高能的正电子不是来自空间某个特定的方向。”
山东大学物理学院教授王萌从专业角度分析，这段话可理解为实验结果已经比较接近暗物质了。程林则表示，“这一实验结果在去年9月份就已经出来了，科学家们本着实事求是的严谨态度不断进行确认，生怕出错，发布日期一拖再拖”。实验结果将发表于《物理评论快报》。
何时揭开暗物质之谜
“寻找暗物质是当今国际粒子物理实验的前沿，对各项技术的要求也非常高。”陈和生表示，除在太空探测暗物质的AMS项目外，还有欧洲的LHC大型粒子加速器以及我国正在开展的地下实验等。
而根据计划，阿尔法磁谱仪的预计寿命是20年，除寻找暗物质外，还有寻找反物质和精确测量宇宙线成分的任务。目前发布的实验结果，是对预期收集总数据量的约1/10数据的分析。
除永磁体系统是中国制造外，磁谱仪项目的整体散热系统、轨迹探测器热控系统、地面模拟系统、电磁量能器结构和地面总装支撑设备的设计研制，也分别由山东大学、中山大学、东南大学和中科院高能物理研究所独立或参与完成。
中国科学家还参与了实验数据分析和物理研究工作。AMS的数据分析由2个独立团队进行，每个团队都包括了许多国家的科学家。他们互相“挑错”，最终达成一致，确保结果的正确。
“中国科学家的数据分析在电荷测量、粒子识别、电子能量测量等方面发挥了十分重要的作用。”陈和生说。
“丁肇中团队所使用的阿尔法磁谱仪当然是目前灵敏度最高，也是最复杂、最昂贵的一台暗物质探测设备，代表了当今科学实验的最高技术手段。”中科院高能物理所研究员毕效军在此前接受采访时说，之前科学家们在不同的实验上都看到了一些迹象，怀疑这些就是暗物质的信号，但由于实验的灵敏度不够，这些迹象还无法确认为暗物质的信号。
陈和生表示，要获得暗物质存在的确切证据，还需要积累更多的数据。“中国科研人员一直在日内瓦欧洲核子研究组织的AMS运行中心参与值班，继续进行数据分析和物理研究。”他说，“随着数据的不断收集和分析，暗物质之谜最终会在若干年后被揭开。这一结果无疑对物理学的发展意义重大。”
《中国科学报》 (2013-04-08 第1版 要闻)
