AMS關於正反電子的最新測量結果

■位於國際太空站 (International Space Station) 的阿爾發磁譜儀 (Alpha Magnetic Spectrometer, or AMS-02) 日前發表了對宇宙射線中正負電子測量的結果。對最新的實驗結果而言,其中一個可能的解釋是看到了質量為 1TeV 的暗物質。

©www.ams02.org/
©AMS02

撰文|陳勁豪

AMS 是由麻省理工學院的丁肇中博士所領導的實驗。AMS 相當於是把一個完整的粒子物理用偵測器整個送到太空站上去,可以精準測量宇宙射線的能量、動量、電荷,並區分出電子、質子,及其它各種原子。這些帶電宇宙射線在地球表面會因為地球磁場而難以進行測量。在太空站上便可以精準量測這些宇宙射線。

2011年5月19日,美國太空總署的奮進號太空梭把 AMS02 送到太空站上並裝設完畢。自此之後,AMS02 就在太空站上偵測各種宇宙射線。

AMS 最重要的測量項目之一便是對宇宙射線中的正電子與電子的數量進行測量。從2011年5月至今,AMS 累積了五年的觀測數據,測量到了約一千六百萬個電子,與約一百萬個正電子。根據測量結果,電子與正電子的行為並不一致。當電子的能量大於 8GeV 之後,電子的數量隨著能量增加而減少。但是正電子卻有不同的行為。正電子的數量隨著能量增加而增加,一直到能量約300GeV 的時候,便開始出現數量減少的趨勢。

對物理學家而言,暗物質存在的與否一直是相當受到關注的焦點。從實驗物理的角度,物理學家一直沒有找到暗物質存在的證據。但是如果暗物質存在於宇宙中的話,當暗物質之間相互碰撞的話,暗物質所帶的能量便有可能轉移到碰撞後所產生的粒子,例如正電子與反質子,進而使正電子與反質子的數量比預期為多。一般來說,如果暗物質會發生這種反應的話,正電子的數量會隨能量增加,然後在暗物質的質量附近,正電子的數量會快速減少。

AMS所測量到的正電子的能量分佈經過比較,與質量為 1TeV 的暗物質存在的情形相當吻合。因此,被認為可能是質量為 1TeV 的暗物質存在的證據。但是這並不是唯一的可能解釋。例如宇宙中的波霎(pulsar)也有可能產生類似的現象。

要確認這個正電子數量增加的現象是否的確是由暗物質所產生,需要更進一步測量。一般而言,暗物質被認為是均勻分佈於宇宙的所有角落。因此如果測量正電子的來源是否為均勻同向,將可以驗證這個現象是否的確是因為暗物質所產生。

 

原始報導:
AMS02 2016/12/08: The First Five Years of the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station
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作者:陳勁豪 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。2011年於美國紐約州立石溪大學(SUNY at Stony Brook)取得博士學位,研究主題為相對論性重離子碰撞(Relativistic Heavy Ion Collision)。長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯。

 

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