AMS是在国际空间站上开展的唯一大型试验。图片来源：NASA
我今年47岁，想在我有生之年能够看到答案，但谁又知道呢？
请暂时不要将“发现什么是暗物质”从你的宇宙学任务清单中划去。
4月初，物理学家利用安装在国际空间站上的价值20亿美元的宇宙射线探测器——阿尔法磁谱仪（AMS）——证实了一种之前发现的来自太空的额外反粒子。这些粒子可能由暗物质所发射——作为一种神秘的物质，正是后者的引力使得星系能够结合在一起。一旦得到证实，这一观测结果将有助于科学家确定暗物质的本质。然而由重达6.7吨的AMS测量到的这些额外物质也可能是由一颗脉冲星，抑或宇宙中的其他天体排放出的亚原子。并且判定到底哪一种解释是正确的可能需要一些类型完全不同的试验，并且耗费数年的时间。
新的物理现象
“现在的问题是，接下来该怎么办？”并未参与AMS工作的美国大学公园市宾夕法尼亚州立大学的宇宙射线物理学家Stéphane Coutu说，“答案便是，这是一个很好的问题。”
作为粒子物理学家、77岁诺贝尔奖获得者丁肇中的心血结晶，在经过了长时间的酝酿之后，AMS于2011年5月16日奔向了国际空间站——这项国际项目之前曾一度被宣判“死刑”，之后又奇迹般复活。正如丁肇中于4月3日在瑞士日内瓦欧洲核子研究委员会（CERN）的欧洲粒子物理实验室中所报告的那样，从那时开始，他与AMS团队的347位成员一道测量了正电子的比例，以及电子和正电子的总数。根据标准天体物理学理论，“正电子部分”应该是很少的，并且会随着能量的增加而减少。丁肇中报告说，事实上，AMS发现正电子部分从100亿电子伏特（GeV）能量的5%上升至该能量35倍的15%。
这些额外的正电子可能来源于暗物质。根据一些流行的理论，暗物质可能包含有大质量弱相互作用粒子，即WIMP。当两个WIMP相互碰撞时，它们能够彼此湮灭，进而产生一个电子—正电子对，从而使正电子部分接近50%的比例。这种额外的正电子之前曾经有过记录，但物理学家一直质疑这些结果的可靠性。而Coutu和其他学者认为，AMS的数据则证明了这些额外的正电子是真实存在的。
但它们是否来源于暗物质呢？这些正电子其实有可能发射自一种旋转的中子星，即所谓的脉冲星——前提是后者足够靠近地球。丁肇中和AMS研究团队也都承认存在这种可能性。在《物理评论快报》发表的一篇论文中，他们并没有提及暗物质便是这些正电子的来源，而是指出这是一种“新的物理现象”。
还有一种解释
丁肇中表示，AMS最终能够确定这些正电子的来源。如果这些正电子来自于湮灭的暗物质粒子，那么它们的能量必定会受到这些粒子质量的限制。因此在增加的能量超越一个明显的“分界点”后，正电子部分应该会骤然下跌。丁肇中指出，与此形成对照的是，如果这些额外的正电子来自于一个天体物理学源头，则它们应该会随着能量的增加而逐渐消退。他说：“如果我们发现了一次‘暴跌’，那么这将是暗物质碰撞的一个非常有力的例证。”而AMS的数据显示，迄今为止，正电子部分在最高能量分析下呈平稳状态，同时附加数据将能够揭示它是否正在朝着悬崖走去。
然而并非所有人对此都买账。安阿伯市密歇根大学的宇宙射线物理学家Gregory Tarlé就认为，一个天体物理学源头同样也能够形成具有急剧能量削减的粒子。“很容易便能够把一个临界点加入到一个天体物理学模型当中。”他解释说，“你必须要做的便是限制粒子加速区的大小。”Tarlé说，即便AMS看到了一个临界点，这种观测结果依然是模棱两可的。
英国伦敦国王学院的理论学家John Ellis指出，事实上，AMS观测结果本身的细节可能让它更难以根据暗物质解释这种额外的正电子。AMS的数据表明，正电子过剩的能量已经超过了之前的探测能够达到的水平。Ellis表示，这也就意味着WIMP的重量至少为300GeV或400GeV，而这改变了理论模型。他说：“AMS正在陷入绘制暗物质的困境。是否有足够的空间让它坚持下来，我不知道。”
另辟蹊径
颇具讽刺意味的是，宇宙射线物理学家强调，盯着天空永远也无法解释正电子过剩的现象。实际上，他们正在从一条不同的途径来寻找答案，那就是利用一台粒子加速器，例如CERN的大型强子对撞机（LHC）。根据一些模型，应当有可能通过LHC制造出WIMP。Coutu和Tarlé表示，实现此类转化是从AMS的观测中赢得一个有关暗物质的解释所必需的。
然而解决这一切到底需要多长的时间？或许用不了太久。丁肇中指出，AMS在未来的几年中必须搜集数据，以便搞清在正电子部分是否存在一次“暴跌”。而LHC将一直关闭，直至2015年进行修理。“我今年47岁”，Coutu说，“我想在我有生之年能够看到答案，但谁又知道呢？”
抛开不确定性不谈，对丁肇中来说，这一结果标志着一场胜利，正是他坚持要把AMS送入轨道。这一想法最早于1994年提出，而探测器于1998年由美国宇航局（NASA）的航天飞机进行了一次试验飞行。但是当NASA的“哥伦比亚号”航天飞机于2003年在返航途中解体后，这一计划似乎被无限期地搁置了，并且直至NASA开始重新考虑航天飞机计划。然而丁肇中毫不气馁，终于在2008年获得国会授权，由NASA发射AMS，而美国也成为参与该项研究的16个国家之一。研究人员在AMS的论文中也谈及了9位现任及前任参议员、众议员对这项研究的支持。
暗物质和暗能量是现代天文学和物理学最重要的谜团之一，它们是为了解决宇宙学观测与理论上的矛盾而提出来的。阿尔法磁谱仪的任务就是观察暗物质湮灭时产生的正电子，从而寻找暗物质存在的证据。
1937年，天文学家发现，大型星系团中的星系具有极高的运动速度，然而星系的运行速度远远超出万有引力公式计算出的结果，这表明除了人类已知的星系团核心物质对该星系的引力外，还存在其他引力。天文学家进一步推断，在人类已知的宇宙物质之外，还有一种物质存在。
此后70多年的研究、分析均表明，这一至今未被人们观测到的物质即“暗物质”在宇宙中存在，而且其在宇宙中所占的份额远远超过目前人类可以看到的物质。宇宙中最重要的成分是暗物质和暗能量，暗物质占宇宙的25%，暗能量占70%，我们通常所观测到的普通物质只占宇宙质量5%。目前，只能通过其与物质的相互作用来间接“观察”暗物质。（赵熙熙）
《中国科学报》 (2013-04-16 第3版 国际)
