在国际空间站上探测到的反物质，可能来自暗物质“火球”？
文摘
科学
2024-08-06 17:25
北京
8年前，国际空间站上的阿尔法磁谱仪探测到了一些奇怪的反物质粒子，这一发现挑战了我们对物理学的现有理解。最新研究指出，暗物质“火球”可能有助于解释这一现象。
文 | 陈强
视觉设计 | 李梅
阿尔法磁谱仪（AMS-02）是美国麻省理工学院的物理学家、诺贝尔物理学奖得主丁肇中主持设计的科学仪器，主要用于探测宇宙中的奇异物质，包括暗物质和反物质。自2011年以来，AMS-02一直搭载在国际空间站上，默默记录了超过2000亿次宇宙射线事件。
AMS-02探测到的大多数粒子都是高速运动的普通粒子。然而，大约8年前，这台仪器检测到了约10个性质异常的反氦核。如果这一结果能够得到确认，将可能改写现有的物理理论。搭载在国际空间站上的阿尔法磁谱仪。（图片来源：NASA）宇宙中的每个基本粒子都有对应的反粒子。反粒子与粒子具有相同的性质，但电荷相反。反物质由反粒子组成，就像普通物质由普通粒子组成一样。当物质和反物质相遇时，它们会发生湮灭，释放出高能光子。理论上，宇宙大爆炸应该会产生等量的物质和反物质，这意味着所有物质和反物质本应迅速湮灭。但事实上，宇宙中的反物质非常稀少且存在的时间极短。为什么宇宙中的物质远远多于反物质？物理学家到现在也没有找到合理的解释。虽然物理学家可以利用粒子加速器产生一些反粒子，许多探测器也能捕捉到来自太空的高能反粒子，但这些通常是单个的基本粒子，如正电子和反质子。然而，AMS-02那次探测到的却是反氦核，是一种复合粒子。这些反氦核由两个反质子和一个或两个反中子组成，对应的名称分别是反氦-3和反氦-4。根据粒子物理学的标准模型，制造反氦核需要反质子和反中子足够接近，并且移动速度足够慢才能结合在一起，而且产生反氦-4比产生反氦-3困难得多。理论认为，每产生10,000个反氦-3才有可能产生一个反氦-4。但根据AMS-02收集到的数据，大约每产生2～3个反氦-3就会产生一个反氦-4，这远远高于标准模型的预测。那么，该如何化解理论与观测之间的巨大差异呢？在最近发表在《物理评论D》（Physical Review D）杂志上的一篇论文中，物理学家试图利用一种假设的天体来解释这种差异。这种假设的天体被称为“火球”，是一个致密、高能的等离子体聚集体，包含了大量反粒子。物理学家推测，这种“火球”可能是由暗物质团块碰撞产生的。暗物质是一种神秘的物质，占了宇宙物质总量的85%左右，但不与光发生任何作用，因此无法直接被观测到。一旦形成，“火球”就会以接近光速的速度膨胀，释放出反质子、反中子和反氦核到周围空间中。这些反氦核随后向外传播，其中一些到达地球并被AMS-02探测到。物理学家模拟了不同大小和行为的“火球”。他们发现，如果“火球”包含了由暗物质粒子组成的大型“复合”暗物质的话，那么它们产生的反氦核数量与AMS-02探测到的初步结果非常吻合。如果“火球”真的存在，反氦核能够为暗物质研究提供一个全新的视角。通过观测反氦核，物理学家有望间接了解暗物质的性质。尽管“火球”假说颇具吸引力，但目前仍缺乏确凿的观测证据。要验证这一假说，还需要更多的观测数据。幸运的是，AMS-02还有6年的运行时间，物理学家有机会收集更多关于反氦核的数据，从而揭示其起源之谜。参考文献：
https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.109.123028
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