阿尔法磁谱仪

**阿爾法磁譜儀**（**Alpha Magnetic Spectrometer**，又譯**反物質太空磁譜儀**，簡稱 **AMS**）是一個安裝於國際太空站上的粒子物理試驗設備，最初由麻省理工大學的物理學家，諾貝爾物理學獎得主丁肇中於 1995 年提議開始，並主持其相關的國際合作計畫。這計畫是一個國際合作計畫，動員了二百多人，來自 31 所大學院校和 15 個國家。目的在於探測宇宙中的奇異物質，包括暗物質及反物質。阿爾法磁譜儀將依靠一個巨大的磁鐵及六個超高精確度的探測器來完成它搜索的使命。

2013 年 3 月，在歐洲核子研究組織的一個講座裏，丁肇中教授宣佈，AMS 已觀察到超過四十萬個正電子。在能量 10 GeV 至 250 GeV 區域，正電子與電子比例隨著能量增強而增加，但在高能量區域顯示出較緩慢的增加速度，並沒有隨時間演進而出現任何顯著的變化，也沒有出現任何特別入射方向。這些結果與正電子源自於太空的暗物質湮滅相符合，但尚未能足以確定並排除其它種解釋。相關結果已發表於《物理評論快報》。AMS 仍在收集更多數據。

## 歷史

### AMS-01

1998 年 6 月，由丁肇中領導的國際團隊建造完成 AMS 的雛型，編號為 _AMS-01_，是偵測器的簡單版本，並被發現號太空梭執行 STS-91 任務送入太空。AMS-01 沒有偵測到任何反氦原子核，因此制定反氦原子與氦原子通量比率的上限為 1.1×10−6，並且證實太空偵測器概念的可行性。

### AMS-02

經過 AMS-01 試驗運作後，丁肇中團隊開始發展與建造全功能研究系統，編號為 AMS-02。這計畫涉及了 500 名科學家，60 所高等研究院與 16 個不同國家，由美國能源部負責領導。

從這長久演進過程研發出的儀器是 "至今為止送入太空最精緻的粒子偵測器"，可以與各個主要粒子加速器所使用的特大偵測器相比較，並且比任何地面類似儀器還貴上很多倍。在研發的期間，它的任務目標也有所修改。完工成品是一種綜合性偵測器，這樣，比較有機會發現暗物質的蛛絲馬跡，儘管它還有別的目標。

AMS-02 的動力需求很大，安裝於獨立太空載具比較不實際，因此，已設定的計劃是安裝 AMS-02 為國際太空站的外部模組，這樣，可以使用國際太空站的動力。在哥倫比亞號太空梭災難之後的計劃是用太空梭於 2005 年執行太空站裝配（station assembly）任務 UF4.1 時運送 AMS-02 至國際太空站，但是技術困難與太空梭排班問題導致更多延遲。

在瑞士日內瓦的歐洲核子研究組織實驗室裏，AMS-02 成功通過最後整合與運轉檢試，這包括暴露在粒子加速器生成的高能量核子束。之後，於 2010 年 2 月 16 日，AMS-02 被運送至歐洲太空總署位於荷蘭的歐洲空間研究與技術中心。在那裏，它又通過熱平衡、電磁兼容性與電磁干擾等等嚴峻檢試。AMS-02 原本預定於 2010 年 5 月底前運送到美國佛羅里達州的甘迺迪太空中心，但由於必須完成最後粒子束準直檢試，運送日期延遲至 8 月 26 日。

專門為 AMS-02 設計的低溫超導磁鐵系統是關鍵技術，能夠給出達成任務目標所需要的高靈敏度。在偵測器的發展後期，低溫磁鐵系統出現了反常加熱問題，物理學者搞不清楚其物理機制與解決方法，這問題會造成需要更多低溫冷卻能力，顯著地降低了原本系統的設計壽命（design life）。團隊領導丁肇中因此決定放棄低溫磁鐵系統，轉而改用一種先前已發展成功，但是功能較弱的永久磁鐵系統。

由於歐巴馬政府（Obama administration）計劃將國際太空站運作時期延長至 2020 年以後，這更換磁鐵系統決定可以使得運作時間從短短的 3 年延長到多達 10 至 18 年。儘管非超導磁鐵所產生的磁場是先前 AMS-01 超導磁鐵的 20%，它仍舊比任何現有的太空粒子偵測器好過百倍。更多數據蒐集時間被認為比更高實驗靈敏度重要得多，儘管已放棄的低溫系統原本被認為是整個任務成功的關鍵技術。AMS-02 先前設計壽命只有 3 年的系統組件，例如油漆、電路版、機械閥與線路等等，是否能夠運作 10 至 18 年，仍有待觀察。

2011 年 5 月 16 日，美國太空總署奮進號太空梭搭載阿爾法磁譜儀從佛羅里達州甘迺迪太空中心發射升空，前往國際太空站，這是奮進號最後一次執行太空任務。

## 計畫內容

阿爾法磁譜儀是一個大型的粒子物理實驗。它是在三十年來從數十個氣球、飛船和地面探測實驗得出來的宇宙線知識的基礎上建立的。理論物理學家預測並在對撞機中尋找的幾種粒子有可能在宇宙線中存在。實驗則有可能探測到它們，並得到粒子和它們遠方的天體來源的寶貴資訊。

阿爾法磁譜儀將具體觀測太空中高能輻射下的電子，正電子，質子，反質子與核子。這些探測結果有可能解答關於宇宙大爆炸一些重要的疑問，例如「為何宇宙大爆炸產出如此少的反物質？」或「何等物質構成了宇宙中看不見的質量？」

該計劃產出兩台設備，首台即通常意義上的阿爾法磁譜儀 AMS-01 於 1998 年 6 月 2 日由發現號太空梭執行 STS-91 任務在甘迺迪太空中心 39-A 發射台送上太空。

這個粒子物理的實驗將在國際太空站 (ISS) 的主構架上被放置三年，遠離大氣層以保證不受干擾，並充分利用國際太空站上的系統來採集數據。原計劃阿爾法磁譜儀由 NASA 的太空梭送入太空。但由於太空梭近年來事故的影響，現在已計劃的飛行中確定發射阿爾法磁譜儀的任務。磁譜儀計劃在 2008 年底前完成組裝，自日內瓦運達美國甘迺迪太空中心。

## 數據收集

儀器大約每秒能紀錄 1,000 個宇宙線，產生數量為 1GB / 秒。這些數據經過過濾和壓縮成為 300 kB / 秒以下載至任務中心 POCC。

2012 年 7 月，有報導稱 AMS-02 已經觀測到了超過 180 億個宇宙線。

2013 年 2 月，丁肇中承認他將在幾周內發表首份學術論文，內容是有關 AMS 前 18 個月的任務中所紀錄的 250 億個粒子事件（包括將近 80 億個快速移動的電子和正電子）。該論文將顯示 0.5 至 350 GeV 幅度內的正電子電子比（positron-electron ratio），以提供能證明暗物質大質量弱相互作用粒子的模型。

## 技術參數

* 質量: 8500 千克
* 功率: 2500 瓦特
* 內部數據傳輸率: 7 Gbit/s
* 地面數據傳輸率: 2 Mbit/s
* 首階段任務周期: 10 到 18 年
* 磁場強度: 0.15 T produced by a 1,200 kg Nd2Fe14B 永久磁鐵（permanent magnet）
* 原始超導磁體: 2 鈦合金超導線圈（niobium-titanium） at 1.8 K producing a central field of 0.87 T

## 花費

1999 年，在 _AMS-01_ 成功發射後，AMS 計畫共計耗資為 3300 萬美元；而在 2003 年哥倫比亞號太空梭災難發生後，以及加上 _AMS-02_ 面臨的許多技術性建造難題，計畫總花費升至 15 億美元。

因此該計畫巨大的花費也引起了許多批評和爭議的聲音。

## 模組設計

## 科學目標

_AMS-02_ 將利用單一的太空環境去探詢宇宙的奧秘，以嘗試理解反物質、暗物質的構成要素以及測量宇宙線。

### 反物質

實驗證據顯示銀河系是由物質構成的；然而，科學家相信宇宙中存在有大約 1000 到 2000 億個星系，一些大爆炸的理論要求必須有同等數量的物質與反物質的存在。是否存在一些主要的反物質是宇宙起源與自然狀態的基本問題之一，在現今可見的宇宙範圍中，明顯的正反物質不對稱性成了物理的最大難題之一。對於反物質核的任何觀察將會證明反物質在宇宙中的存在。1999 年，_AMS-01_ 在宇宙中設立的反氦 / 氦通量比新的上限為 10−6。通過改進後 _AMS-02_ 將研究更為敏感的 10−9，以充分探尋擴展中的宇宙邊緣與解決反物質這個難題。

### 暗物質

宇宙中的可見物質，例如星星，加起來的數量為宇宙中所有被人類已了解的 5% 以下。其餘 95% 是暗物質與暗能量，暗物質估計占宇宙重量的 20%，還有 73% 是一種導致宇宙加速膨脹的暗能量。超中性子被認為是暗物質的主要潛在候選成分。如果超中性子真的存在的話，它們應該與其他粒子碰撞並釋放出能被 _AMS-02_ 檢測出的帶電粒子。

### 奇異夸克團

根據實驗證明，夸克由上夸克、下夸克和奇異夸克等六類夸克組成 (_up_, _down_, _strange_, _charm_, _bottom_ 和 _top_) ；然而，地球上的大多物質僅僅由上夸克和下夸克構成（上、下夸克是構成核子的基本元素）。因此宇宙中是否存在由上夸克、下夸克和奇異夸克共同構成的穩定物質成為一個基本難題。奇異夸克團可能具有特別大或非常小的荷質比（charge-to-mass ratios），它可能會是一種全新的物質。_AMS-02_ 將會探索出是否存在這種物質。

### 宇宙輻射環境

宇宙線對於載人火星任務是一種主要的干擾物，因此需要適當的手段以精確地測量宇宙的射線環境。對於宇宙線的大多研究是通過氣球運載儀器在數天內完成的，這些研究結果顯示了射線的多樣性。_AMS-02_ 將通過國際太空站控制操作至少三年的時間，以收集大量精確的數據並測量在大幅度能量系統內射線的長期多樣化。此外，還將幫助了解載人太空飛行對於射線的防護要求，這些數據將有利於確定宇宙線的星際傳播與射線的起源。

## 初步結果

2013 年 3 月 30 日，歐洲核子研究組織新聞辦事處發佈 AMS 實驗初步結果。4 月 3 日，相關實驗論文正式發表於《物理評論快報》。根據論文摘要，在能量範圍 0.5 to 350 GeV 之間，已收集了大約 6.8×106 個正電子與電子事件。從 10 至 250  GeV，正電子部份穩定隨著能量增強而增加，但是從 20 至 250 GeV，斜率減少一個數量級。在正電子比分能譜裏，沒有觀測到任何精細結構，正電子與電子比率沒有觀測到任何各向異性。權威學者評論，從漫遊於太空的阿爾法磁譜儀得到的初步結果，射向地球的宇宙線確定含有額外的高能量正電子。這些結果與正電子源自於太空的暗物質湮滅相符合，但尚未能足以確定並排除其它種解釋。丁肇中表示，在未來數月內，AMS 將能確定地讓我們知道，這些正電子是否為暗物質的訊號，還是來自其它根源。

## 參見

## 參考資料

## 外部連結

* AMS 與宇宙奇異物質的搜索
* AMS 主頁 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* 尋找太空中的反物質 on 聯合太空站 ALPHA
* AMS Collaboration Homepage
* AMS Homepage （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） at CERN
* AMS Homepage （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） at the Johnson Space Center
* NASA AMS-02 Project Fact Sheet
* NASA AMS-02 Project Home Page （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* An animated movie of the STS-134 mission showing the installation of AMS-02 (72MB) （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Alpha Magnetic Spectrometer – image collection – AMS-02 on Facebook （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* A Costly Quest for the Dark Heart of the Cosmos (New York Times, November 16, 2010) （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* AMS 計畫 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）