81歲丁肇中的最新發現或證實「反物質世界」的存在

「宇宙起源於大約 137 億年前一次大爆炸」，這個理論已經獲得了大量的證據支持。該理論認為, 大爆炸之前沒有物質, 因此大爆炸以後物質與反物質的數量應該一樣多。

可人類面臨的現實情況是，物質世界產生了，反物質世界卻遲遲沒有現身。而這次，丁肇中似乎探尋到了反物質世界的蛛絲馬跡。

4 月 19 日，《Science》發表文章指出，對丁肇中而言，尋找反物質並非什麼新聞，然而，最近在歐洲核子中心，而同樣在2 月 16 日，在其工作了近 50 年麻省理工學院的一次對話中，丁肇中表示，阿爾發磁譜儀（AMS）可能捕獲了一個質量更大而且更加奇特的反物質——反氦3。儘管反氦3可以在地面實驗室中製備出來（保存時間非常短暫），但這種由兩個反質子和一個反中子構成的反物質還是首次在太空中被發現。

20 多年前，丁肇中說服基金會投資 15 億美元建造了阿爾法磁譜儀（AMS）。2011 年，NASA 將這一 8.5 噸的磁鐵運送到太空並與國際空間站（ISS）對接。這次，它再次受到世界矚目。如同丁肇中報告結尾所說，AMS 終於實現了其設計初衷。

AMS 實驗是美國、中國 、俄羅斯、芬蘭、法國、德國、義大利、瑞士等國首次在空間領域的合作。作為為數不多的獲諾獎後依然活躍在科學前沿的科學家之一，丁肇中在這個探尋反物質的科學征程中投入了極大精力。啟動後的很長一段時間裡，AMS 實驗充滿曲折和變數，之所以能走到今天，離不開科學家們的堅持和實驗本身的說服力。

到現在為止，約有 900 億個粒子飛進了 AMS 磁鐵的「大嘴」。AMS 測量了這些粒子的質量和電荷。它們幾乎全是質子和氦核子，還伴有少量的電子、碳核子、氧原子和鐵原子。其中，還有少量比較珍貴的發現：反質子和正電子，分別是質子和電子的反物質。

對於丁肇中來說，這些反物質是星系中存在暗物質的證據，暗物質在星系中產生額外的重力。但其他反對者卻不這麼認為，他們覺得這些反物質只不過是星系中某些司空見慣的事件的副產物而已。

美國能源部 AMS 的項目管理人、物理學家Michael Salamon表示：「這個發現（反氦3）非常驚人的。」Salaman在休假時得知了這一消息。出乎人們意料的是，丁肇中表示他並不想立即發表文章或與理論物理學家討論該現象。

「他想確認這個發現的可信度」，Salaman告訴《Science》。因為，在自然界中檢測到反氦的存在足以震動整個宇宙學。一旦該結果被確認，那將證明了大爆炸之後反物質源的存在，而且意味著標準模型之外的粒子存在相互作用。這對於在今年 1 月步入 81 歲的丁肇中來說，無疑是對其終生事業的有力肯定和對反對者的最好回擊。

宇宙線中的帶電粒子無法在地球上觀測，而要分辨這些粒子的電荷符號, 就必須用磁鐵來探測。在 1994 年，丁肇中提出用磁譜儀 AMS 在空間中進行粒子捕獲。也是從那時起，他受到了嚴厲的質疑。

有些人認為，這項由美國能源部和其他國家的機構所資助的項目，是政治運作的產物，並沒有經過科學的審查，而且預言 AMS 的成績將不會產生重要的科學價值。

反對者之一、密歇根大學天體物理學家Greg Tarlé表示，丁肇中的實驗結果充其量只能是「給媒體看的物理」。

而丁肇中利用 AMS 取得的重要成果——圍繞在星系中高能正電子的數目要遠多於預期——也並沒有平息反對者的質疑。

反對者表示，這種正電子遠高於預期的現象是由歐洲衛星發現的，AMS只是進行了確認，而且這一發現產生數百篇基於理論假設暗物質的論文和模型。這些粒子兩兩湮滅可以生成窄能帶的電子——正電子數量對半的混合物，其中電子將會淹沒到宇宙中無數的電子中，稀有的正電子則會凸顯出來。

丁肇中則認為，存在 1TeV 質能的暗物質是對該現象的最佳解釋，儘管這個質能僅相當於一只正在飛行的蚊子。其他的研究者則更傾向於用更為熟悉的天體物理源來解釋這個發現。

近年來大量湧出的暗物質模型，包含丁肇中所提出的模型，「可能更多的是與團體運作以及他們寫文章的數量有關，而不是與科學相關」，來自俄亥俄州立大學的天體物理學家Tim Linden表示。他和部分研究者認為，銀河系就像一個被脈衝星和超新星攪得一團亂的實驗台，脈衝星或是超新星將質子加速到非常高的能量後再將其送出去撞擊低溫氣體，都會產生AMS探測到的反物質。

但丁肇中所說的過去五年中所探測到的「四、五個」可能的反氦，將是與之前都不同的情況。麻省理工學院天體物理粒子學家Kerstin Perez表示，目前可以確信的是，一般意義上的天體物理過程或是暗物質粒子無法產生出這麼多的反氦。作為採用氣球收集反氦項目的共同領導者，她表示，如果丁肇中的說法是正確的，「這將是本質上的新現象」。

這項結果也將證實丁肇中最初的設想。當年丁肇中向NASA和能源部（DOE）遊說 AMS 的時候，他說可能會捕獲到從反物質源逃出的反物質，解開關於宇宙大爆炸中隱藏已久的謎題：宇宙大爆炸產生同等數量的物質和反物質，之後它們互相湮滅，產生伽馬射線，但是，為什麼是物質而不是反物質來統治今天我們所看見的世界？

關於這一謎題的解釋，一種說法是因為物質和反物質存在一些本質的不同，另一種說法則認為這是隨機決定的，如同拋硬幣，而物質和反物質分別是硬幣的兩面。

丁肇中企圖尋找反物質源的想法惹怒了他的反對者，他們認為這是荒謬的，因為如果反物質源真的存在，那麼宇宙中將存在比現在更多的伽馬射線。而且，大型反物質粒子無法完好無損的到達AMS，更何況，即使反物質到達了，AMS能否區分反物質和檢測雜訊還是個問題。

而在 AMS 內部也存在對丁肇中的質疑聲，目前還不能排除該發現源於探測器失誤的可能。因為，當一個帶電粒子穿過甜甜圈型的磁鐵時，受到磁場作用其運動軌跡會發生變化，這種變化可反映出帶電粒子的電荷和動量。九個冷卻的硅探測器用來檢測帶電粒子的軌跡，一年中差不多有十億次的機會可以檢測到氦核——這種具有兩個正電荷的粒子。但是，每年也會有一兩次集會檢測到一個粒子具有兩個負電荷，即丁肇中所說的反氦。這種情況也可能是氦核碰到其它原子反彈而引起的誤檢測。

目前AMS團隊正採用計算機模擬所有可能的路徑。丁肇中說：「我們依然沒有看到能夠產生反氦3的其它情況，許多合作者認為我們應該發表這一成果。」

這似乎是丁肇中的一貫作風。丁肇中的支持者，夏威夷大學的Philip von Doetinchem說：「這是他的行事風格，說話之前必須對結果有十足的把握。」

但是丁肇中的反對者卻不這麼看，Tarlé認為丁肇中已經清楚這是由於探測器的儀器故障。對於Tarlé來說，丁肇中的行為無疑是「故作扭捏」以獲得更多對該項目的支持。

不過，丁肇中也確實需要這些支持。雖然2019年才需要對AMS進行評審，但美國能源部與其他保守的天體物理學家一樣，已失去了耐心。

「弄清某一特定宇宙射線的光譜特性是好的，但說實話，這並不怎麼重要」，美國能源部AMS的項目管理人Salamon說道。更嚴峻的是，AMS用於冷卻硅探測器的4台冗餘泵僅有一台正常運行，而且是正在滿負荷運行。

如果 AMS 可以堅持到2024年，那時候美國和其他國家將停止對國際空間站的支持，AMS的檢測數量相比現在要翻一番。那樣的話，不僅可以使得反物質與平常粒子的檢測數目對比更加明顯，而且還可能為丁肇中提供更多捕獲反氦的機會。

不過，丁肇中並沒聲稱擁有10個或更多的反氦將會從統計意義上提供更強有力的證據，他認為，每收集一個反氦都有其價值。

丁肇中表示，他正在計劃更換失效的冷卻泵，這涉及新系統的安裝，需要宇航員進行太空行走才能完成。NASA的發言人也證實，正在制定計劃拯救AMS。NASA已經投入1600萬美金用以支持這項持續到2019年的太空行走計劃。美國能源部和丁肇中的國際合作夥伴也為此購買了需要置換的部件。「錢不是問題」，丁肇中說。

相信許多年後，即使AMS沒有找到足夠的反氦就墜落了，歷史也會記住科學家們的嘗試和努力。

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