山东大学参加的AMS项目实验结果改变人类对宇宙线认识

北京时间12月9日凌晨，山东大学参与的阿尔法磁谱仪（AMS）项目在欧洲核子研究中心（CERN）发布了五年太空实验的结果，以前所未有的精度探测了宇宙线中正电子流强，正电子比例，反质子-质子比，以及电子、正电子、质子，反质子、氦核以及其它核子的流强，改变了人类对宇宙线的认识。

据科技日报引用AMS热系统总负责人、山东大学空间热科学研究中心主任程林教授：“AMS测量的这些涵盖多种宇宙线粒子的精确而独特的数据,不是拓展了人类‘已知的边界’,而是拓展了‘未知的边界’……我们‘未知变已知’的领域扩大了。”程林说,“用一个并不十分恰当的比喻来形容这次AMS的突破,那就是如果说我们之前对宇宙线的认知是一只‘乒乓球’的范围, 现在已经扩展到了一只‘足球’的面积。”

据了解,宇宙线(即“宇宙射线”)是来自宇宙空间的高能粒子,是人类获取太阳系外物质样本的唯一渠道,被认为是传递“宇宙大事件”的信使和发现“宇宙加速器”的探针。

AMS是由诺贝尔物理奖获得者丁肇中教授主持的国际大科学工程，是上世纪末和本世纪初世界上规模最大的科学计划之一，是目前唯一被永久安放在国际空间站上的具有开创型的大型科学实验。目前，AMS已经收集了超过900亿宇宙线数据，主要物理结果已发表在物理评论快报（Physical Review Letters）。

近一百年来，有很多对电子、正电子和质子流强的测量。这些测量的误差很大，导致了很多不同的理论模型。目前，AMS通过对1650万电子和108万正电子的测量，显示出电子流强与正电子流的强度不同，随能量变化的行为也不一样。在60GeV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，而电子的行为则完全不同。从而揭示了与以往实验结果所不同的新信息，这大大的改变了对宇宙线的认识。

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关注。暗物质粒子相互碰撞，它们产生能量，进而转化成普通的粒子。AMS最新测量的正电子流强及正电子比例结果显示，从8GeV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。正电子的数据与暗物质质量为1TeV的暗物质模型很好地符合。另一个可以解释AMS正电子流强与正电子比例的猜想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的持续地收集数据，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一百万分之一。AMS用了5年的时间准确分辨出349000个反质子事例，其中，AMS探测到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，同时它将提供对新物理现象的理解。与此同时，质子是宇宙线种最丰富的粒子。AMS利用3亿个质子事例，将质子流强测量达到1%的精度。结果显示，质子流强不能被简单地描述成单一的幂律谱，质子能谱指数随能量变化。这一结果改变了几十年来对宇宙线的普遍认识。

同时，AMS通过7个子探测器鉴别了不同种类的基本粒子和原子核，包括氦、碳、氧等轻原子核和更重的原子核，一直到铁核。AMS测量的碳-氦流强比和氧-碳流强比是与刚度无关的。而出乎意料的是，质子-氦流强比却随着刚度的增加而迅速但平滑的下降。AMS也测量了其他的次级宇宙线，包括硼和铍。测量铍-硼流强比例将能得到关于宇宙线在星系间传播时间的信息。AMS通过这一测量测得银河系宇宙线的年龄大约是1200万年。而在65 GV以上，AMS测量的硼-碳流强比(B/C)可以用单一幂律谱（B/C=kRd ）来描述，其中d = -0.333±0.015。这一结果符合柯尔莫哥洛夫的磁化等离子体湍流模型的预言，即d渐近为-1/3。同样重要的是，硼-碳流强比没有任何显著的结构，与很多宇宙线模型的预言不同。

宇宙大爆炸起源模型要求在宇宙极早期物质和反物质的数量是相等的。当前，宇宙中缺失复杂形式的反物质，而解释这一现象的机制被称为重子数产生过程。重子数产生过程要求强的对称性破坏和有限的质子寿命。过去的半个世纪里，实验上，没有证据表明存在强的对称性破坏和质子衰变。所以，在宇宙线中观测到单个反氦核事件具有非常重大的意义。5年里，AMS收集到了37亿个电荷为+2的氦核事例，只观测到几个电荷为-2，质量在3He范围内的事例。接下来的多年内，需要进行极其严格的探测器验证和收集更多的数据，以确定这些电荷为-2的事例的来源。

以上，AMS的这些测量结果推进了对宇宙线产生、加速以及传播的认识。这些涵盖多种宇宙线粒子的精确的独特的数据，需要一个全面的物理模型来描述。同时，通过严格的探测器验证和持续的收集数据，将会准确判定所探测到的电荷为-2的粒子的来源。

山东大学于2004年3月参加AMS项目，由程林教授任AMS热系统总负责人，全面负责AMS热系统的研究、设计、制造与实验。历时7年完成了在国际空间站上运行的粒子探测装置AMS的热系统，解决了太空粒子探测的关键工程问题。

程林教授领导了来自麻省理工学院、瑞士苏黎世高工、美国宇航局等不同单位的三十多位科学家共同工作，创造性地提出了一种利用周期性大温差变化和大热容介质传热动态响应特征保持探测器温度平衡的新方法。构建了一种既具有较强的传热能力、又具有较大蓄热能力的特殊结构的散热板，使AMS系统中的配电、电子及各探测器在运行过程中的热量能够实时散出；同时，空间站面向太阳时散热板吸收热量，提升了整体温度，又使散热板成为一个热源，保证了系统的高效散热以及温度场的均匀性和稳定性，解决了阿尔法磁谱仪在国际空间站环境下运行的关键问题。AMS随国际空间站每90分钟绕地球一圈，经历-40℃～+60℃温度周期性变化，极端热环境低温可至-90℃、高温可至+230℃，热系统是AMS各部件正常工作的基础。通过在国际空间站上近5年多的运行，AMS经历了各种不同的极端条件，取得了成功，为大科学仪器空间运行的热控制方法做出了重要贡献。

在AMS安放在国际空间站之后的5年中，程林教授带领山东大学热科学团队继续全面负责热系统运行与监测，承担了96%的工作量。根据太空运行的实际数据，修正和新建了热控制模型，以应对不同的极端条件。

2004年至今，山东大学先后有60人在欧洲核子中心、意大利CGS、欧洲航天技术中心工作，不断为AMS探测器的建造和数据分析做出重要贡献，山东大学的工作是AMS实验成功的关键因素之一。（中国日报山东记者站 赵瑞雪）