研究成果

AMS在國際太空站上的第一個五年

刊登日期:2016-12-12

阿爾發磁譜儀(Alpha Magnetic Spectrometer簡稱AMS)實驗組宣佈AMS實驗已滿五周年並匯報迄今之主要科學成果。AMS實驗是以在太空中曾佈置之最強力、靈敏的粒子偵測器來探索未知而令人振奮的前沿物理。自2011年五月安置在國際太空站(ISS)上,AMS已收集超過九百億個宇宙射線的事例,並將主要的物理結果發表於物理通信評論。在幾百種帶電的基本粒子中,只有電子、質子、反電子(又稱正電子)、反質子具無窮長的生命期而能永遠運行於宇宙間。電子與正電子的質量遠小於質子與反質子的質量,故運行時因星系磁場造成同步輻射而損失的能量亦大得多。令人驚訝的是在剛量(即動量除以電荷)六百億伏(60GV)以上,正電子、質子、及反質子其流量隨剛量之變化一致,而與電子之變化完全不同,如圖1所示。
圖2分別顯示AMS目前對正電子流量的量測結果,可以看出:流量及分率自八十億電子伏(80GeV)起即高於由宇宙射線與星際物質碰撞造成的預測值,在最高能量區似有急降之趨勢。此正電子的數據與暗物質質量約一兆電子伏(1TeV)的暗物質模型之預測相當吻合。

宇宙起源於大爆炸的理論要求在極熱的宇宙初始有同樣多的物質與反物質。針對不見複雜型態的反物質提出解釋俗稱「重子生成論」。重子生成論中,有大的正反物質不對稱及質子生命期有限是兩個必要條件。自前半個世紀以來,僅管奮力進行出色的實驗,大的正反物質不對稱毫無證據,質子衰變也未被發現。因此,在宇宙射線中看到一個反氦的事例就極為重要。過去五年中,AMS收集了三十七億個氦(電荷Z=2)的事例。迄今已看到幾個Z = -2的事例其質量在3He附近。在每年約一個反氦的候選事例率下,精確量測要求背景(氦)誤判為信號(反氦候選事例)的排除率需達十億分之一,除非對儀器的細節極為了解,無法達成。未來幾年內,有更多的數據時,我們努力的一個主要課題就是確認Z = -2事例的來源。


圖1. 剛量六百億伏(60GV)以上,正電子、質子、及反質子其流量隨剛量之變化一致。電子能譜之表現完全不同,隨剛量增加它下降快得多。


圖2. 目前AMS正電子流量測量結果與理論模型比較。

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期刊連結: http://www.phys.sinica.edu.tw/files/files20161212_AMSPressRelease.pdf

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