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阿尔法磁谱仪与暗物质 作者：佚名 辅导来源：本站原创 点击数： 357 更新时间：2007-2-16 一、阿尔法磁谱仪　　1、阿尔法磁谱仪简介　　阿尔法磁谱仪（Alpha Magnetic Spectrometer，简称AMS）是人类送入宇宙空间的第一个大型磁谱仪，于1998年6月2日—12日由美国发现号航天飞机搭载，成功地进行了首次飞行，并将于2003年送到阿尔法国际空间站上运行3到5年．阿尔法磁谱仪是丁肇中教授领导下的一个大型的国际合作科学实验项目．这项雄心勃勃的研究计划的主要目标是寻找太空中的反物质和暗物质，探索天体物理、粒子物理和宇宙论的重大疑难问题．包括美国、中国、俄国、意大利、瑞士、德国、芬兰等10多个国家和地区的37个研究机构的物理学家和工程师参加了这个计划．中国科学院电工研究所、高能物理研究所和中国运载火箭技术研究院等单位参加了这项重大的国际科学研究的合作项目，并在其中发挥了关键的作用．下图即为阿尔法磁谱仪的近照。　　2、阿尔法磁谱仪的物理目标　　阿尔法磁谱仪实验包括三大主要物理目标，它们反映了当今物理学和天体物理学最重要的基础理论之谜．这三大物理目标分别是：寻找宇宙中的反碳核、反氦核及其他更重的反核来确定宇宙中是否存在反物质；寻找宇宙中可能存在的暗物质；精确测量宇宙中各种同位素的丰度和高能γ，并探索未知的物理现象．　　微观世界的粒子都存在相对应的反粒子，反粒子具有和粒子完全相同的质量和相反的电磁性质．反粒子由狄拉克预言，1932年在实验中首先发现了电子的反粒子——正电子．组成我们周围世界的物质的原子核是由质子和中子组成，带正电．所谓反物质，它的原子核是由反质子和反中子组成，带负电荷．　　宇宙中是否存在反物质是科学的一大难题．根据目前公认的大爆炸学说，宇宙是由大约在150亿年前的大爆炸产生的．大爆炸后，宇宙在不断地膨胀和冷却．大量的天文学观察和天体物理实验结果支持了这个理论．然而根据粒子物理理论，大爆炸理应产生同样数量的物质和反物质．迄今为止，所有的实验都没有在宇宙中观察到反物质的存在．宇宙中究竟是否存在反物质？这是目前粒子物理学家和天体物理学家关注的焦点之一．探测反物质的关键是必须把包括一个强有力的磁铁的探测器送入太空以测量宇宙中的原子核的电荷．几十年来，物理学家提出过各种方案企图将磁谱仪送入太空，但由于无法制造一个可以在太空运行的磁铁而未能如愿．中科院电工所利用多年来在研究核磁共振永磁体方面取得的丰富经验，提出了完全利用钕铁硼永磁材料的独特设计方案．它的磁场强，漏磁非常小，磁二极矩几乎为零，完全能满足AMS实验在空间运行的要求．丁肇中教授采用了电工所的设计方案．中国科学家和工程师研制出了人类送入太空的第一个磁铁，使物理学家几十年来的梦想成为现实．　　当今天体物理和宇宙论的另一大难题是寻找暗物质．天文学的观察和研究发现宇宙中90％的物质无法用光学的方法探测到．天文学上把宇宙中用光学方法看不到的物质称做暗物质，暗物质的起源和组成长期以来一直是一个谜．超对称理论支持这样的观点，即暗物质是由弱作用荷粒子（Weakly Interacting MassiveParticles，简称WIMPs）组成的．这一理论可以用直接测量银河系环中的WIMP’s的湮灭产物来验证．当暗物质粒子和反粒子湮灭时会产生质子反质子对、正负电子对和γ．AMS能精确地测量反质子能谱、正电子能谱以及高能γ谱．因此AMS将为解开困扰物理学家数十年的暗物质之谜提供非常重要的信息，进而有可能给出这一极富挑战性的重大疑难问题的答案．　　阿尔法磁谱仪能对宇宙线进行非常精确的测量并由此产生许多新的有意义的物理信息．宇宙线即来自太空的高能粒子，它们在大气层顶部产生簇射并击中地球．这些高能原子核已由无数的地面实验和大气实验进行了长期的研究．与这些实验不同，AMS将运行在离地面三百多公里的太空中，从而能够探测到未和大气原子发生碰撞的原始的宇宙线．AMS将测量不同同位素的比例，如铍－10和铍－9丰度比．由于铍-10的半衰期约为100万年，如果丰度比高则说明绝大部分宇宙线很年轻，小于100万年，如果丰度比低则说明铍－10在宇宙中飞行过程中大部分已发生衰变．AMS能够对铍－10和铍－9丰度比进行高统计量高精度的分析，从而高精度地确定宇宙线在银河系中的禁闭时间，确定宇宙线穿过的天体物质的平均密度，从而确定宇宙线在银河系环中滞留的时间．　　阿尔法磁谱仪还能对宇宙中其他各种同位素的相对丰度进行精确的测量．这些测量结果将会回答宇宙论和天体物理学中的许多重大问题．作为人类送入太空的第一个磁谱仪，这个实验很可能会有意外的重大发现．因此，阿尔法磁谱仪引起了世界各国科学家的极大兴趣．它是目前在阿尔法空间站上计划的唯一的大型科学实验．　　3、阿尔法磁谱仪的结构