国际空间站皇冠上的明珠—阿尔法磁谱仪

(今天的文章来自MIT的孙玮同学的投稿[世界真小,我们的作者里居然就有重名的了],题目是关于刚刚由航天飞机带上国际空间站的AMS 02;不知道多少人当年有过看央视直播AMS 01上天发射的经历,我还记得那时候我会拿个小本坐在电视前面听介绍,看纪录片做笔记;另外,我们非常欢迎来自非天文专业同学关于相关或者交叉领域的投稿,我觉得这样的稿件对我们拓展视野和补充知识是及其有帮助的,这里也再次向孙玮同学表示感谢)

国际空间站皇冠上的明珠——阿尔法磁谱仪

  • 供稿:孙玮
  • 单位: Massachusetts Institute of Technology (MIT)

引言:

科学美国人杂志将阿尔法磁谱仪(AMS)称作国际空间站皇冠上的明珠。是什么让这样一个耗时16年,花费20亿美元的天体粒子物理探测器获此殊荣?为什么美国国会在已经决定取消航天飞机项目以后,又为这样一个实验破例,增开一班航天飞机?AMS将在未来二十年的生涯里给我们带来哪些问题的答案?

图1. 安装在国际空间站上的AMS02,来自NASA.

AMS概况:

AMS是安装在国际空间站上的一个粒子物理探测器,于2011年5月16日从肯尼迪航天中心由奋进号航天飞机送至太空,她将在国际空间站上运行20年,直至国际空间站被废弃。AMS合作组由MIT领导,并由来自16个国家和地区的600多名物理学家组成。AMS研究组在粒子物理中一直处于国际领先水平,她的前身曾经领导过CERN的L3实验,DESY的MARK-J实验,并曾在1974年于BNL发现J粒子(1976年诺贝尔奖)等。在1998年,为了获得在太空中进行大型粒子物理实验的经验,AMS合作组通过发现号航天飞机,将一个试验中的AMS探测器送入太空,总共飞行十天,人们也将此探测器成为AMS01,而将后来的探测器称作AMS02。

将粒子探测器送入太空基本有两个原因,一是地球磁场会对能量不是特别高的带电粒子进行偏转,从而在地面观测不到这些粒子,二是宇宙线会与大气层发生相互作用,以致到达地面的绝大部分粒子都是次级粒子,宇宙线粒子所携带的大量信息就丢失了。

AMS通过对宇宙中粒子的探测,寻找暗物质(dark matter)、反物质(antimatter)、奇异夸克元素(strangelet),完成对宇宙线同位素(cosmic nuclei/isotope)等的首次超精确测量,研究太阳活动(solar modulation)以及粒子在地磁场和宇宙中的传播(cosmic ray propagation),等等。

AMS探测器简介:

AMS重7.5吨,体积60立方米,是目前太空中最大的粒子探测器。AMS由许多不同功能的子探测器组成,精确的探测器是AMS的灵魂,是其能够提供诸多精确测量的保障。

AMS包括:

  • 0. 永久磁铁,提供1500G的磁场,用来偏转带电粒子,以区分带电粒子符号;
  • 1. 穿越辐射探测器(Transition Radiation Detector),用来将正负电子与质子、反质子及其他更重的原子核、离子区分开;
  • 2. 飞行时间探测器(Time of Flight),用来提供一级触发信号,测量粒子速度,电荷,能量,时间分辨率小于160皮秒;
  • 3. 半导体硅径迹探测器(Silicon Tracker),用来探测粒子径迹,测量电荷,能量,磁刚度,空间分辨率小于10微米;
  • 4. 环形切伦科夫探测器(Ring Image Cherenkov),用来探测粒子速度,电荷;
  • 5. 3D电磁量能器(Electromagnetic Calorimeter),用来产生电磁簇射,探测光子,正负电子能量,做高能光子一级触发。
  • 另外还有GPS,星空方位探测器(Star Tracker)为AMS提供方位,以及先进的电子学系统(650个处理器,速度是商用太空电子系统的十倍),热动力系统等以保证整个探测器的良好运行。

    图2. AMS探测器结构示意图,来自2011年粒子与核物理国际会议(2011 PANIC)AMS02进展报告 (Dr. Andrei Kounine)

    点我进入AMS02进展报告

    暗物质:

    近年来越来越多的证据表明暗物质的存在,例如星系外围星体的旋转速度所产生的离心力远大于星系中正常物质所能提供的引力,引力透镜,宇宙微波背景辐射,重子声波震荡等等。由于暗物质不参与已知的相互作用,粒子物理中对暗物质的探测基本有两类方法:一类是直接探测,暗物质会有一定的几率撞击探测器中的原子核,通过探测反冲原子核的性质来确定暗物质的性质,由于反冲原子核能量非常小(keV量级)并且暗物质与原子核的相互作用截面也非常小,所以此类探测器需要非常灵敏,探测器灵敏区域需要非常大;另外一类是间接探测,虽然暗物质与正常物质之间不存在已知的相互作用,但是他们之间会有相互作用,那么正反暗物质有可能会发生湮没而产生正常物质,并且暗物质也有可能通过一种未知的相互作用而衰变成正常物质,于是我们通过探测这些次级产物就可以推知暗物质的存在,这也就是AMS探测暗物质的原理。

    稍微具体一点地说,AMS主要通过观测正电子与电子比例的能谱,反质子与质子比例的能谱,以及对光子的测量来探测暗物质。如果暗物质存在,我们会在原本不存在暗物质的能谱上看到至少一个类似共振的峰。

    我们举个简单的例子。比如下面的图中,我们可以看到在正电子谱中,绿色的较平缓的线是不存在暗物质时的能谱,然后我们看到PAMELA、HEAT、AMS01都给出了偏离绿线的能谱,但是由于那三个探测器不够强大,他们只能看到预期的峰的上升部分,看不到下降部分。而AMS02能够对高达1TeV的正电子进行精确的测量,这样能测量到质量高达800GeV的暗物质峰的回落,从而确定暗物质的质量。虽然基本探测原理不是太难理解,但是要真正实现并不容易。还是举一个正电子的粒子。宇宙中有百分之九十的粒子都是高能质子,而正电子远在百分之一以下,非常稀少。正电子和质子电荷都是一,在能量非常高的时候,这两种粒子都非常接近光速,然后就很难区分。如果探测器将千分之一的质子误判为正电子,那么我们的测量就会非常不精确。AMS在多个子探测器的合作下,能将这种出错几率降到十的负六次方以下,从而保证了正电子谱百分之一的测量精度。

    图3. 如果暗物质由超对称模型中的neutralino构成,(AMS02能够探测到的)正电子能谱形状随neutralino质量的变化,来自arXiv:1009.5349

    反物质:

    根据宇宙大爆炸理论及标准模型,在大爆炸的时候,正物质和反物质是等量产生的,可是为什么我们现在生活的世界中只有正物质,而见不到宇宙大爆炸初期产生的大量反物质呢?粒子物理中的CP宇称破缺理论能对正物质和反物质的不对称进行解释,但是CP宇称破缺中的正反物质不对称程度并不是太大,远远不足以解释宇宙中曾大量产生的反物质的缺失。对于这个问题,存在两种可能。一是我们的理论没有错误,在宇宙的中存在着一个完全由反物质组成的世界,我们可以把他们成为反宇宙;另一个是我们的理论存在问题,还不完整,解释不了宇宙大爆炸初期正反物质严重不对称。

    在地面上的加速器实验、质子衰变实验等都是间接地探寻这种正反物质不对称。而AMS将目光投向太空,通过直接寻找宇宙中的反物质来回答这个问题。具体地说,如果存在一个反宇宙,那么反宇宙中的部分反物质有一定的几率能够传播到地球(当然数量非常非常少,远不用担心会和地球上的正物质大量湮没而毁灭地球),那么探测这些(大爆炸初期产生的)反物质,我们就能够推知这个反宇宙与我们之间的距离,或者说这个反宇宙是否存在。即使存在传播到地球的反物质,其数量也极少,那么也就要求极高精度的探测器和较长时间的观测取样,所以对暗物质的直接探测也是AMS发挥其威力的地方。

    奇异夸克元素及宇宙线同位素:

    对宇宙中各种同位素的测量可以帮助我们更好的理解粒子在星系中及星系间的运动传播,能对现有的粒子传播模型进行更有效的限制,进而让我们能够更好地推知粒子产生源及星系间传播媒介的性质。例如Li/C比例随磁刚度的变化可以确定两个关键的星系传播参数Dxx和VA,H2/He4与He3/He4的比例可以探知He4的传播历史,等等。

    图4. 宇宙射线中各种同位素能谱,来自NASA AMS02 Briefing Materials (Prof. Samuel Ting)

    点我进入 NASA AMS02 Briefing Materials

    在这里我们详细介绍一种奇异夸克元素(strangelet)。核物理理论预言在自然界中除了由u夸克和d夸克作为价夸克组成的原子核(质子,中子)外,还存在另外一种稳定存在的原子核,这种原子核里的价夸克除了u、d夸克外,还有与之基本等量的s夸克。做出这一预言的是鼎鼎大名的超弦/M理论创始人Edward Witten。其基本思想还是比较容易理解的,由于夸克是费米子,泡利不相容原理决定每种粒子只能占据一个量子态,多了一种夸克会增加低能量费米海中的量子态数量,进而对于一定的粒子数,占据低能量量子态的粒子就变多了,进而总的能量就变低了,而我们知道系统总是倾向于占据低的能量状态的,所以这种奇异夸克元素是非常稳定的一种物质状态。

    虽然奇异夸克元素非常稳定,但是产生这样一种物质在通常条件下并不容易,由于s夸克质量比u、d夸克大很多,所以需要非常高的温度(能量)才能产生。现在一般认为宇宙空间中的奇异夸克元素来自于宇宙大爆炸初期或者由奇异夸克元素组成的奇异星体。当然在地球上的重离子加速器实验也在试图通过在高能重离子对撞形成的高温度高密度物质中寻找产生的奇异夸克元素,不过至今未曾找到。也有科学家试图在阿波罗登月飞船带回来的月球土壤中寻找,不过也没有找到。于是,很多科学家将希望寄托在AMS身上。奇异夸克元素的一个重要特点就是由于掺入了与u、d夸克几乎等量的带-1/3电荷的s夸克,它的电荷/质量比远比正常物质小,所以对电荷、质量的精确测量是这一课题的关键。AMS01在十天的数据中已经发现了两例疑似奇异夸克元素的粒子,相信功能更加强大的AMS02在其20年的服役期能给出我们比较确切的答案。

    结语:

    以上简要介绍了AMS探测器以及她所涉及的天体粒子物理中三个重要问题。除了这三个问题以及概况中介绍的其他问题,AMS凭借对高能光子的精确测量能力(电磁量能器有17倍辐射长度),AMS还能对脉冲星、超新星的天体物理课题做出贡献。实际上,作为人类历史上第一个运行在太空中的大规模粒子探测器,AMS最迷人的地方在于她将探索一个我们曾经几乎未知的领域,现在人们对AMS所能解答的问题的期待都是基于现有的知识,或许我们对于AMS将来要给出答案的非常重要的问题本身现在还一无所知。

    延伸阅读 (管理员斗胆补充):

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    4 Replies to “国际空间站皇冠上的明珠—阿尔法磁谱仪”

    1. EdenAstro

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      科大近代物理系办的天文与粒子物理暑期讲习班还不错,邢志忠(偏中微子理论)季向东(暗能量探测)曹臻(LHAASO宇宙线探测的负责人)

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