丁肇中探索反物質計畫的意外挑戰

專題報導 06/01/2010

得到諾貝爾獎之後三十四年,丁肇中依然在實驗物理科學最前沿領導計畫,探索未知。此一計畫因太空梭意外橫生波折,又面對許多競爭科學家的攻詰,最近更面臨選擇不同探測器的壓力,可說是挑戰迭出。

今年二月十二日,裝載阿爾發磁鐵磁譜儀(AMS)車隊,由瑞士日內瓦的歐洲粒子物理研究中心(CERN)出發,前往荷蘭的歐洲太空研究技術中(ESTEC) ,這趟六百公里的行程,花了四天時間。這是AMS計畫歷經許多波折,最後由荷蘭以C5巨型貨機載往美國佛羅里達州甘迺迪太空中心發射升空前的關鍵一程,可說非同小可,因此連CERN的機關刊物《CERN COURIER》都以其作為頭題新聞。

AMS計畫的領導者是丁肇中,他一九七六年以高能實驗物理的重大發現獲得諾貝爾物理獎之後,一直在粒子物理的領域中工作。一九八三年他領導全球最大的物理實驗團隊,在CERN的「大型正負電子碰撞機」(LEP)上進行 L3實驗,二○○○年LEP加速器關閉,L3計畫告終,此前丁肇中就已數度爭取規模更大的實驗計畫,但事與願違,計畫屢被批駁。(參看《知識通訊評論》七十三期〈丁肇中的最後一役〉)

此後他轉而嘗試規模較小、較簡單的實驗計畫,但目前的這個AMS計畫,規模還是逐漸擴大,十五年下來,此一計畫共花費了十五億美元,成為十六個國家五十六個研究機構五百名研究人員參與,整個磁譜儀重達八噸半,超導磁鐵磁場強度,達到地球磁場的一萬七千倍。
今年二月,AMS實驗團隊在CERN以粒子束測試磁譜儀探測器,發現磁鐵在運作時溫度會上升,這出乎原先的預期。不過丁肇中說,後來在荷蘭諾得偉克歐洲太空研究技術中心進行的太空環境測試顯示,在軌道運行的低壓、低重力情況下,升溫的效應會減少,應該不成問題。

不過另一位合作的物理學家,日內瓦大學的波爾(Martin Pohl)卻說,儘管其中一個模擬偵測器繞地球軌道運轉的實驗,顯示升溫情形不明顯,另一個模擬卻顯示液態氦的消耗量會上升,使得實驗甚至撐不過兩年。

這樣一來,用來冷卻超導磁鐵,將運作溫度維持在絕對溫度兩度(攝氏負兩百七十一度)的液態氦三年內就會用完,另外液態氦升溫可能爆炸,因為CERN新開始的大強子對撞加速器計畫(LHC) ,才因為液態氦爆炸而使計畫延誤一年半時間。丁肇中團隊計算出,若是使用磁力較弱的永久磁鐵,雖然需要更多數據資料,才能達到與超導磁鐵相同的粒子分辨準確度,但是永久磁鐵能展延的工作期限,卻可以大大彌補這項弱點。

其實丁肇中的團隊可能也別無選擇,因為二○○三年哥倫比亞號太空梭重返大氣層時的意外失事,使得美國航太計畫面臨困境,造成原來二○○五年太空梭載送AMS磁譜儀升空到國際太空站(ISS)的計畫取消,短期內似乎沒有恢復的可能。丁肇中開始發揮鍥而不捨精神,他經常飛到華府會見相關人士,二○○八年美國國會通過法案,特別給予太空梭載送AMS磁譜儀升空的飛行預算。

原本的計畫是由太空梭「發現號」在七月載送AMS磁譜儀升空,但由於太空梭即將停飛,而國際太空站的計畫又預期要延長到二○二○甚至二○二八年,如此一來,讓頂多只能運作三年的超導磁鐵磁譜儀升空,就變得有些奇怪。丁肇中實驗團隊於是決定,改用一九九八年曾搭載太空梭升空,並且在地球軌道運轉十天的永久磁鐵磁譜儀。

現在他們不但要趕著在德國重新組裝永久磁鐵磁譜儀,也要趕著再回到CERN,八月間用粒子束測試這個磁譜儀,並在九月一日以C5A巨型貨機直接由日內瓦載到佛羅里達州,趕上預計九月十六日的太空梭發射。

有人擔憂,這麼晚更換磁鐵會使得探測器出現問題。第一位參與NASA哈伯太空望遠鏡計畫,現任教於美國田納西范得比爾特大學的科學家歐戴爾(Bob O’Dell)說,測試檢查是非常精確的過程,急不得。萬一他們無法找出所有可能出現的問題,甚或是錯失了已經出現的問題,會有很大的風險。」

其實AMS磁譜儀計畫,是長年鑽研宇宙射線計畫人士的競爭者,因此長久以來總是冷言以對。另一方面,當年AMS磁譜儀構想提出之時,物理學界幾乎毫無探究宇宙射線反物質的實驗,但今日無論是以氣球升空的日本BESS計畫,以及以衛星進行探測的義大利潘蜜拉(PAMELA)計畫結果,都認為原始反物質可能不存在,BESS在美國的首席研究員米契爾(John Mitchell)就曾提出質疑,認為這具磁譜儀能找到反物質的機率很低。

參與潘蜜拉計畫的美國安娜堡密西根大學的天文物理學家塔爾列(Gregory Tarlé)就認為,即使替換的磁鐵一如預期可以運作,AMS合作團隊對偵測器的科學效用也言過其實。

二〇〇八年,義大利領導的潘蜜拉衛星,似乎觀察到兩個暗物質粒子碰撞時產生的大量高能正子(反電子),為銀河中的暗物質提出可能的證據。丁肇中團隊指出,他們對磁譜儀中的矽探測器的改造,依據粒子能量高低不同,在國際太空站未來運行的十八年間,能使偵測正子的機率提高四到六倍。

潘蜜拉衛星偵測的數據,已經可測到能量高達一千五百億電子伏特的粒子,丁肇中的團隊說,AMS磁譜儀可以量到高達一兆電子伏特,因此使偵測範圍增加不少。但塔爾列不同意,認為丁肇中實驗團隊換了磁力較弱的永久磁鐵,可不會還是量得到一兆電子伏特。

原本丁肇中團隊會改用昂貴的超導磁鐵探測儀,為的就是提高分辨率,沒想到耗費經費不說,還惹上許多麻煩
問起丁肇中如果一開始就專注於改進矽探測器,是否更好?他的回答是標準的丁肇中風格。「這很難講,」他說,「我只看未來,不看過去。」
【知識通訊評論月刊九十二期】2010.6.01

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