“AMS-02”落户空间站 找不到反物质也是一种收获

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导读:[B]核心提示:今天,阿尔法磁谱仪2“落户”国际空间站,将用10年甚至更长时间搜寻“另一半宇宙”。主持这个项目的丁肇中先生说——即便找不到反物质,也是一种收获。[/B][B][/B] 如果宇宙起源于大爆炸,一半的宇宙应由正物质组成,另一半应由反物质组成。将于今天“落户”国际空间站的“科学贵宾”——阿尔法磁谱仪2(AMS-02),将用10年甚至更长时间在浩淼宇宙中搜寻“另一半宇宙”。 神秘的反物质与暗物质,让人翘首期待。主持该项目的华裔科学家丁肇中先生却说,科学是无法预见的。即便找不到,也是一种收获。
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核心提示:今天,阿尔法磁谱仪2“落户”国际空间站,将用10年甚至更长时间搜寻“另一半宇宙”。主持这个项目的丁肇中先生说——即便找不到反物质,也是一种收获。

如果宇宙起源于大爆炸,一半的宇宙应由正物质组成,另一半应由反物质组成。将于今天“落户”国际空间站的“科学贵宾”——阿尔法磁谱仪2(AMS-02),将用10年甚至更长时间在浩淼宇宙中搜寻“另一半宇宙”。


神秘的反物质与暗物质,让人翘首期待。主持该项目的华裔科学家丁肇中先生却说,科学是无法预见的。即便找不到,也是一种收获。“在科学道路上,我们可能原本是想去挖金子,但最终挖到的是玛瑙。”


探测带电粒子的“哈勃望远镜”


“如果宇宙中确实存在由反物质组成的世界,和大量看不见的暗物质,那么我们应该能在太空中找到它们。”这是丁肇中开始这项艰难探测的初衷。


他认为,人类之所以至今没能找到来自宇宙深处的反粒子,是因为我们把观察点放在了地面上。而反物质一旦进入大气层,就会与正物质产生湮没反应,根本无法到达地面。因此办法只有一个,就是将探测器送上太空。


美国宇航局将AMS称作“能探测带电粒子的‘哈勃望远镜’”,只是它昂贵得多,耗资近20亿美元。1971年,一位很有名的诺贝尔奖获得者也曾提出这个想法,但没人付诸行动。“宇宙是最终的实验室。”丁肇中和他的国际团队后来为此奋斗了17年。


1998年6月,AMS-01搭载美国“发现号”航天飞机首次进入太空,在为期10天的实验中,并没有发现反粒子,但它证明了AMS的设计原理和方法是可行的。


中国方案解决“40年来最大挑战”


项目的最大挑战是将一个桌子大小的磁体送入太空。然而,大型磁体不可避免地会有漏磁和二极磁矩的问题,前者会干扰航天飞机和空间站中其他仪器的工作,后者则会使磁谱仪在地球磁场作用下转动。


为了自己“40年科研生涯中难度最大的实验”,丁肇中寻访了多国科学家,但都没找到好方法。1994年,他偶然在一份美国文献中看到中科院电工所的一篇论文,得知中国能造很好的磁铁,于是飞到北京造访电工所。几经讨论,双方确定了方案。


这是一块内径约1.2米、重约2.6吨的巨型永磁铁,中心磁场强度为1350高斯,是地球磁场的27000倍。不过,它并不是铁石一块,而由上万个不同形状、不同大小的小磁块拼成的64个磁化方向连续变化的永磁条组成。


据AMS-01磁体制造总指挥、中科院电工所研究员董增仁回忆,制造永磁体的过程精密而复杂。上万个小磁块都得由50×50×25毫米的标准块切割而成,任何一个稍有偏差都无法拼出一个完整的环。为了获得尽可能高的空间磁场,项目组选用了当时磁能级最高的钕铁硼材料。


超导卡壳,永磁体再征宇宙


1998年试飞归来,丁肇中带领的团队着手设计一个可在太空运行3-5年的新系统——AMS-02,其中的关键部件永磁体,将被磁场强度达9000多高斯的超导磁体取代。其间,受美国航天飞机失事影响,和超导磁铁本身存在技术障碍,AMS-02的发射时间几经推迟。


直到去年,眼看“奋进号”航天飞机就要步入它的“绝唱之旅”(也是美国航天飞机全体退役前的倒数第二次发射),但超导磁铁的研发还是没能完全克服“漏热”的缺陷。


上海交通大学空间科学与技术研究中心副主任叶庆好教授告诉记者,为维持磁体处于超导状态,必须用温度达1.8K(-271.3℃)的超流氦对其进行冷却。“漏热”,意味着要保持“体温”,磁体就得消耗更多的冷却剂为自己降温。按计划,AMS-02随航天飞机升空时可携带2000升超流氦,而“漏热”将直接导致冷却剂超重。


无奈之下,AMS-02不得不放弃研发多年的超导磁体,重拾试飞时的那块中国制造的永磁体。董增仁说,去年夏天,他专程飞往欧洲核子中心与丁肇中讨论永磁体的改进方案。不可思议的是,测试发现,当年那块永磁体的中心磁场强度至今仍高达1340高斯——“13年只衰减了10高斯,这说明,它再工作一二十年应该没有问题。”


据悉,AMS-02将在国际空间站内运行约10年,未赶上航天飞机“末班车”的超导磁铁则可能用在之后的AMS-03上。


分辨反物质,向左走还是向右走


对于反物质的世界,人们充满了好奇,也有许多误解。一次,在丁肇中与中国学生的对话中,有人天真地发问:在反物质的世界中,是不是一切都与我们这个正物质世界相反?比如,男人会不会变成女人?


如果说大型强子对撞机模拟的是宇宙大爆炸之前最初的状态,那么AMS就是要描述大爆炸后的完整镜像。谁都说不准,AMS-02此行找到反粒子的几率有多大,可以肯定的是,其难度不亚于“在一场暴雨中寻找一颗彩色的雨滴”。


叶庆好告诉记者,要分别物质与反物质,首先得想办法测量粒子所带的电荷是正是负。当空间粒子进入永磁体的巨大磁场,携带不同电荷的粒子会自动分流——向左走,或者向右走。此外,AMS-02还装备了近10种子探测器,它们有的测“身高”,有的测“体重”,有的窥“相貌”,多角度综合评估空间粒子的身份究竟是正物质还是反物质、是明物质还是暗物质。


(本文来源:文汇报) 责任编辑:NN050

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