反宇宙 我們來找你了

專題報導 06/01/2011


美國太空梭「奮進號」五月十六日升空,帶上丁肇中花十七年方成的反物質探測儀,這不但為宇宙探測開啟一個新的紀元,也開始宇宙中許多人不認為存在之另一個世界的探尋。

宇宙浩瀚,且並無物理定律顯示,宇宙中沒有反銀河、反恆星,或甚至居住著反生命的反星球這些以反物質為主的世界。換句話說,若真有這樣的宇宙存在,它的物質必是反物質。美國麻省理工學院的諾貝爾獎物理學家丁肇中(Samuel Ting) 說,問題在於,這個反物質宇宙在何處?科學家的推斷,若真有反宇宙,人類應會在反物質與物質世界的交界處,看見粒子彼此湮滅時釋放的光亮。

由於反宇宙仍是一大疑問,丁肇中博士的太空任務計畫引發高度爭議,也就不足為怪。丁肇中在經費二十億美元的太空計畫中,肩負尋找反銀河釋出的粒子的責任。當然這項計畫同時也進行許多其他較主流的科學目標,因此「奮進號」五月十六日升空將「阿爾法磁譜儀」(Alpha Magnetic Spectrometer)送上國際太空站開始探測之際,批評家並未對丁肇中的研究多所置喙。(請參看《知識通訊評論》七十三期〈丁肇中的最後一役〉以及《知識通訊評論》九十二期〈丁肇中探索反物質的意外挑戰〉)

推展疆界

費時十七載方成的阿爾法磁譜儀,是太空總署前署長高汀(Dan Goldin)為國際太空站找到的不凡科學計畫,這也是丁肇中對尋找反物質始終無法忘情的努力成果。在美國太空總署、能源部與十六個國家科研經費的共同資助下,阿爾法磁譜儀終於有譜,雖然期間磁譜儀進度延遲,技術問題層出不窮,高能與粒子物理學家也一再質疑計畫的可行性,磁譜儀最後終能排除萬難升空。

阿爾法磁譜儀任務的副發言人,義大利佩魯齊亞大學的物理學家巴提斯頓(Roberto Battiston)說,「物理學與懷疑無關,物理學在乎的是精密的測量。」丁肇中的實驗送上升空發射台時,巴提斯頓和其他科學家一再強調,對落向地球的大量宇宙射線,阿爾法磁譜儀具備前所未有的靈敏度。意謂阿爾法磁譜儀不僅有能力偵測出來自遙遠宇宙的反物質塊,還能測量這些宇宙射線的特性,讓科學家對這些高能量,可能來自太陽、遙遠的超新星,或是因為γ射線爆發而有的帶電的粒子具有更多的了解。

在地球上,科學家僅能間接找到宇宙射線。宇宙射線在大氣高空,會撞擊大氣粒子,產生次生粒子簇射(showers of secondary particles),研究人員僅能以這些次生粒子簇射進行研究。在太空中,阿爾法磁譜儀將可看到完全不失真的宇宙射線。參與研究,來自里斯本「儀器和實驗粒子物理實驗室」的物理學家巴羅(Fernando Barão)指出,科學家將能非常精確測量宇宙射線的通量,「最佳的測量地點是太空,那裡不會有地球大氣層來破壞宇宙射線」。無論尋找反物質成果如何,阿爾法磁譜儀應能為科學家,繪製出一張宇宙射線的明確天際地圖,協助建立起不再依賴光的一個新的天文學。

阿爾法磁譜儀是一個強大的永久磁鐵,四周圍繞著粒子探測器。在實驗進行的十年或十數年中,磁鐵會造成宇宙射線一個程度的路徑彎曲,這就可以顯露這些宇宙射線的能量與電荷,進而確認它們的特性。有些可能是重原子核,而在反方向彎曲的路徑中,反物質的形成物也就會顯現出它的行蹤。

透過計算正電子,也就是電子的反物質,阿爾法磁譜儀也可追蹤暗物質的初步信號,科學家迄今仍不知暗物質是何物,雖然他們堅信,構成宇宙的質量大多是暗物質。二○○九年,科學家發表報告,表示在地球周遭的太空環境中,發現多餘的正電子。科學家利用一顆俄羅斯衛星上俄國與義大利的酬載,名為「反物質─物質探測與輕原子核天體物理」的科學研究艙進行研究時,發現多餘正電子的證據。這些多餘正電子的可能來源之一,是源自銀河光環中暗物質粒子的湮滅。

另一項推測性的探尋,是跟一個假設的「奇異」物質有關,科學家可能在坍塌的恆星找到這種物質。這個物質包含奇夸克,以及一般原子核的上下夸克。美國太空總署阿爾法磁譜儀計畫經理希斯提里(Mark Sistilli)說,一九九八年,阿爾法磁譜儀在太空梭上進行試飛時,他們曾看過這個「奇異」物質的蹤跡,因那個結果過於不明確,因此決定不對外公開。

阿爾法磁譜儀計畫屬於探測任務,因此與太空總署一般進行的科學計畫不同,不需通過同儕審核這一關。話雖如此,希斯提里還是一再強調,提供五千萬美元資金的能源部對這項計畫深具信心。如今,隨著磁譜儀升空,他們的信心將開始接受考驗。
【知識通訊評論月刊一○四期】2011.06.01

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