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阿尔法磁谱仪(Alpha Magnetic Spectrometer)

标签: 阿尔法磁谱仪 AMS 丁肇中 暗物质

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基本简介编辑本段回目录

 

阿尔法磁谱仪2号在国际空间站吊装阿尔法磁谱仪2号在国际空间站吊装

阿尔法磁谱仪(Alpha Magnetic Spectrometer),又译反物质太空磁谱仪,简称AMS,是一个由美国麻省理工大学丁肇中教授构思建造的宇宙射线探测器。AMS实验是国际空间站上唯一的大型物理实验,目的主要是寻找反物质组成的宇宙、寻找暗物质的来源和测量宇宙线的来源。这个粒子物理的实验将被永久放置在国际空间站(ISS)的主构架上,远离大气层以保证不受干扰,并充分利用国际空间站上的系统来采集数据。AMS-02被称为“观测带电粒子的哈勃望远镜”。

1998年6月美“发现者”航天飞机将阿尔法磁谱仪1号(AMS-01)带入太空飞行了十天,发现了很多近地球轨道宇宙线的新现象。

阿尔法磁谱仪2号(AMS-02)原计划于2004年由美国航天飞机送入太空,但其行程因2003年“哥伦比亚”号失事被一拖再拖。一直到2011年5月16日,美国“奋进”号航天飞机才携带着中国参与制造的阿尔法磁谱仪,从佛罗里达州肯尼迪航天中心发射升空,前往国际空间站。

阿尔法磁谱仪1号(AMS-01)编辑本段回目录

1998年6月,发现号航天飞机执行STS-91任务将AMS-01送入太空。图为置放于酬载舱后方的AMS-01。1998年6月,发现号航天飞机执行STS-91任务将AMS-01送入太空。图为置放于酬载舱后方的AMS-01。
1998年6月2日,美国东部时间18时6分(北京时间6月3日凌晨6时6分),在位于美国佛罗里达州的肯尼迪航天发射中心,“发现者”航天飞机腾空而起,机内载中、美等国共同研制的阿尔法磁谱仪1号(AMS-01)进行运行实验,此举揭开了人类第一次到太空寻找反物质和暗物质的序幕。

阿拉法磁谱仪1号在太空中飞行了十天后返回地面,发现了很多近地球轨道宇宙线的新现象。

从阿尔法磁谱仪1号(AMS-01)传回的数据判断,它工作正常,并出现了预想的反质子,但由于数量太少,尚无法说已经发现了反物质。

阿尔法磁谱仪2号(AMS-02)编辑本段回目录

阿尔法磁谱仪02的1:3模型(图片来源:中国国际广播电台国际在线) 阿尔法磁谱仪02的1:3模型(图片来源:中国国际广播电台国际在线)

“阿尔法磁谱仪2”原计划于2004年由美国航天飞机送入太空,但其行程因2003年“哥伦比亚”号失事被一拖再拖。在此期间,以丁肇中为首的科学家对阿尔法磁谱仪2号进行了不断改进,其中曾尝试用超导磁体代替永磁体,但最终经模拟空间测试仍决定使用永磁体。目前阿尔法磁谱仪2号采用的永磁体就是1998年阿尔法磁谱仪1号太空实验时使用的,是由中科院电工研究所等制造的。

2011年5月15日,在诺贝尔奖获得者丁肇中的主持下,重达七吨的宇宙射线探测器——阿尔法磁谱仪2号(AMS-02),搭乘“奋进号”航天飞机的STS-134航班升空,四天后,“奋进号”抵达国际空间站,顺利地将AMS-02卸装在预定位置。经四小时的调试,AMS-02就发回了宇宙射线的数据。仅最初的三个月,AMS-02所收集的宇宙射线数据就超过了科学家在以往50年中获取的宇宙射线数据的总和。

2013年2月18日,在美国波士顿结束的美国科学促进会(AAAS)年会上,美国麻省理工物理学家丁肇中及其领导的研究团队对外宣布,他们的阿尔法磁谱仪(AMS)发现了弱相互作用大质量粒子(WIMP)存在的证据,6个科研小组达成了一致意见,都赞同是探测到WIMP,而WIMP就是一种暗物质的候选体。丁肇中称,将于未来两到三周发表涉及暗物质的研究论文,对这项研究的进展作详细阐述。

2013年3月30日,欧洲核子研究组织新闻办事处发布AMS实验初步结果。

2013年4月3日,相关实验论文正式发表于《物理评论快报》。根据论文摘要,在能量范围0.5至350 GeV之间,已收集了大约6.8×106个正电子与电子事件。从10至250  GeV,正电子部份稳定随着能量增强而增加,但是从20至250 GeV,斜率减少一个数量级。在正电子比分能谱里,没有观测到任何精细结构,正电子与电子比率没有观测到任何各向异性。权威学者评论,从漫游于太空的阿尔法磁谱仪得到的初步结果,射向地球的宇宙线确定含有额外的高能量正电子。这些结果与正电子源自于太空的暗物质湮灭相符合,但尚未能足以确定并排除其它种解释。丁肇中表示,在未来数月内,AMS将能确定地让我们知道,这些正电子是否为暗物质的讯号,还是来自其它根源。


永磁体系统编辑本段回目录

中国科学院电工研究所、中国科学院高能物理研究所和中国运载火箭技术研究院成功地研制出阿尔法磁谱仪最关键的永磁体系统,包括用高性能钕铁硼材料制成的永磁体和支撑整个磁谱仪的主结构。独特的魔环设计满足了空间实验对漏磁和磁二极矩的严格要求。

永磁体总重量约为2t,接收度为0.6m2·sr,磁偏转能力BL2为0.135T·m2,并在40℃以下不出现退磁。主结构采用双层薄壳系统,能经受永磁体强大的磁力和扭矩,以及起飞、着陆时的巨大载荷。永磁体系统通过了严格的空间环境模拟试验,满足了阿尔法磁谱仪的要求,并达到了美国宇航局严格的安全可靠标准。

阿尔法磁谱仪2号曾尝试用超导磁体代替永磁体。尽管这种方法可以产生更强的磁场,但超导磁体需要液氦冷却,太空中无法补充液氦,这样磁谱仪寿命只有3年。而使用永磁体的磁谱仪的使用寿命长达18年至20年,所以专家们决定沿用永磁体。

物理试验编辑本段回目录

阿尔法磁谱仪是一个大型的粒子物理实验。它是在三十年来从数十个气球,飞船和地面探测实验得出来的宇宙射线知识的基础上建立的。理论物理学家预测并在对撞机中寻找的几种粒子有可能在宇宙射线中存在。实验则有可能探测到它们,并得到粒子和它们远方的天体来源的宝贵信息。

阿尔法磁谱仪将具体观测太空中高能辐射下的电子,正电子,质子,反质子与核子。这些探测结果有可能解答关于宇宙大爆炸一些重要的疑问,例如“为何宇宙大爆炸产出如此少的反物质?”或“何等物质构成了宇宙中看不见的质量?”

项目合作编辑本段回目录

这一项目投入达20亿美元,研究人员来自美、欧、亚三大洲16个国家和地区的56个研究机构,其中包括中科院电工研究所、高能物理所、山东大学、东南大学、中山大学等。它被认为是继人类基因组计划、国际空间站计划和强子对撞机计划之后的又一个大型国际科技合作项目。

阿尔法磁谱仪重达8500千克,中国多家单位参加了研制,其中,中国科学院高能物理研究所和中国运载火箭技术研究院与法国、意大利的两个单位合作,研制了阿尔法磁谱仪电磁量能器,能够测量能量高达TeV的电子和光子,是寻找暗物质的关键子探测器。

参加阿尔法磁谱仪国际合作的中国单位还包括中国科学院电工研究所、上海交通大学、东南大学、山东大学、中山大学,以及中国台湾的“中央研究院”物理研究所、“中央大学”、中山科学研究院等。

工作状态编辑本段回目录

阿尔法磁谱仪(AMS)项目首席科学家丁肇中2011年5月28日表示,阿尔法磁谱仪2安装到国际空间站后,工作“一切正常”,每天都有大量数据传回地面。

丁肇中在电话中告诉新华社记者,如果把每个粒子、每道宇宙线经过磁谱仪都算一个数据,那么磁谱仪每天传回的数据都在100万至1000万个之间,磁谱仪目前“没有出现任何错误”,不过,“没有任何错误也可能意味着错误暂时还没有被检查出来”。

丁肇中表示,对磁谱仪数据的分析工作已经展开,参与分析的机构主要有美国麻省理工学院、德国亚琛大学、意大利和法国的科研机构以及中国的东南大学、中山大学和山东大学等。不过,目前的数据分析主要用于校准磁谱仪上的仪器,校准工作预计在6月16日前结束。将仪器校准好也是项目组这段时间内的主要工作,因为“从来没有人做过这种实验,一定要小心谨慎”。

丁肇中说,很多同事都建议开始设计磁谱仪3,但他认为,磁谱仪3固然重要,但其设计只能等磁谱仪2的结果出来后才能确定,“物理是一步一步向前走的,磁谱仪2升空后,了解了宇宙线是怎么回事,磁谱仪3才有目标”。

中国贡献编辑本段回目录

作为一个由16个国家和地区科学家组成团队的一分子,中国科学家也为磁谱仪倾注了大量心血,参与项目的国际同行对中国科学家的贡献给予高度评价。

这个项目促进了中国科学界与国际科学界的交流,让中国科学界积累了管理大型国际科技项目的经验,同时也锻炼了队伍,为今后相关领域的发展奠定了基础。

中国贡献

参与磁谱仪项目的中国大陆科研团队主要有8个,分别为中科院电工所、中国运载火箭技术研究院、山东大学、东南大学、中山大学、上海交通大学杨煜普小组、中科院高能所以及航空科学与技术国家实验室;来自中国台湾的团队主要有“中央研究院”、中山科学院等。他们的贡献各不相同,但都必不可少。

中科院电工所研制成功了磁谱仪的核心部件——磁体系统。该磁体具有对高能粒子吸收作用小的特点,实现磁体与地磁无相互作用的力矩,极大降低了对空间飞行器的影响,解决了几十年来不能将较强磁场磁体送入外层空间运行的世界技术难题。

中国运载火箭技术研究院承担了磁谱仪量能器结构的研制工作,并在磁谱仪探测器的建造过程中发挥了重要作用。该院设计的磁体主结构在1998年曾搭乘航天飞机进行了为期10天的空间工作,在地面存放10多年后仍保持良好的性能,并继续用作阿尔法磁谱仪2的磁体主结构。

磁谱仪对热环境的要求极其苛刻,各探测器的性能也与温度有关,热系统的研制水平及质量直接决定着磁谱仪的工作状态、运行寿命及实验可靠性。在热系统的研究和设计过程中,国家973计划首席科学家程林教授领导的山东大学团队提出了不同结构形式的散热元件,保证了系统的高效散热及温度场的均匀和稳定,解决了磁谱仪在国际空间站运行的关键问题。

东南大学在项目中主要承担了3项任务——建立磁谱仪实验系统、反物质探测系统和地面数据处理系统。

中国台湾的中山科学院也完成了“不可能的任务”——为项目设计出了运行速度比美国航天局现行系统快10倍的电子控制系统……

世界赞誉

中国科学家为磁谱仪项目所作贡献得到了项目首席科学家丁肇中、项目组以及其他国家科学家的广泛赞誉。

丁肇中曾对记者表示:“中国科学家为磁谱仪实验作出了决定性贡献。”

美国航天局专家肯·鲍尔曾在验收产品后对其上司说:“如果你们要找一家能够设计和制造一流航天产品的机构的话,那我告诉你,中国有个运载火箭技术研究院,他们有能力完成这个任务。”

山东大学在磁谱仪项目所有参与机构中第一个完成任务,得到了美国航天局的高度评价。项目组在致山东省科技厅的项目鉴定意见中写道:“您将会高兴地获知整个项目组对山东大学工作最高程度的认可。事实上,正是山东大学的工作让这个实验真正成为可能。”

硅微条轨迹探测器热控系统在欧洲航天局进行的热真空测试中表现出超乎寻常的温度稳定性。项目组对热控系统的评价是:“没有硅微条轨迹探测器热控系统就没有阿尔法磁谱仪实验”。

磁谱仪项目首席工程师、意大利人戈达多·加吉奥洛告诉记者,中国科学家为项目作出了“巨大贡献”,“我与中国科学家的合作非常愉快”。

美国麻省理工学院核科学实验室主任理查德·米尔纳也认为,中国科学家对项目的贡献是“决定性的”。

宝贵经验

通过参与磁谱仪项目,中国科学界也增长了经验,提高了水平,锻炼了队伍,为今后在相关领域进一步发展奠定了基础。

中科院院士、中山大学校长许宁生表示,通过参与磁谱仪项目,中山大学学习和积累了丰富的大型国际合作项目研发和管理经验,锻炼和培养了承担国际最高水平研究项目的整体能力。此外,通过实施项目组建的科研攻关团队,学科背景知识搭配科学,年龄梯度分布合理,研究团队的工作成果、所展现出的科研学术水平和承担大型科研项目的能力得到了包括丁教授在内的国内外同行的高度赞许。

山东大学能源与动力工程学院副院长辛公明表示,该校通过参与这一项目开发了具有自主知识产权的先进传热技术,这些技术孕育着巨大的产业化潜力,其中,高精度热控制技术、环路热管技术和大功率热机械泵,不仅具有世界领先水平,也具有批量生产的能力和广阔的应用前景。例如,热管是目前人们已知的传热效率最高的传热元件,应用也非常广泛,但热管技术目前基本被美国等极少数国家垄断,我国既缺乏真正有效的自主知识产权,又受到严格的技术封锁与限制,因此未见批量生产。山东大学在参与项目过程中研制的新型环路热管,是项目产生的最具代表性、最具实用性的典型成果,其性能达到目前世界上最优异的水平。

东南大学是中国第一个参加磁谱仪项目的高等院校。该校科技处处长、仪器科学与工程学院博导李建清表示,东南大学参加项目近10年来的最大收获是培养了一大批从事空间探测的高水平人员。据悉,东南大学曾先后派遣13人分赴美国麻省理工学院、瑞士日内瓦大学、意大利佩鲁贾大学以及欧洲核子研究中心等机构参与磁谱仪研究工作,其中12人已完成任务归国,并成长为各自领域的骨干。

李建清表示,磁谱仪是当今最先进的空间探测项目,参与这一项目可以学习很多技术和经验,丁教授很乐意把其他国家的科学家介绍给中国同行,中国科学家跟国际顶级专家通过项目建立了密切联系,受益匪浅。他表示,丁教授能有序组织好这么一个复杂、高精尖的大型国际项目,值得我们学习。

磁谱仪升空后,后续工作更具挑战性,中国科学家也将继续参与。例如,山东大学将全面负责实时监控磁谱仪热控制系统在空间复杂、苛刻环境下的在轨运行状况,进行相关的数据分析、数据存储、数据服务等工作。可以预见,中国科学家也将继续为国际空间探索作出自己的贡献。


国外报道编辑本段回目录

1、INTO AMS-02 (来源于AMS-02网站)



2、INSIDE THE C-5M SUPER GALAXY (来源于AMS-02网站)


3、FIRST RESULT FROM THE ALPHA MAGNETIC SPECTROMETER EXPERIMENT(AMS项目的第一个实验结果—来源于AMS-02网站)

April 3rd, 2013

The Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) Collaboration announces the publication of its first physics result in Physical Review Letters. The AMS Experiment is the most powerful and sensitive particle physics spectrometer ever deployed in space. As seen in Figure 1, AMS is located on the exterior of the International Space Station (ISS) and, since its installation on May 19, 2011 until the present, it has measured over 30 billion cosmic rays at energies up to trillions of electron volts. Its permanent magnet and array of precision particle detectors collect and identify charged cosmic rays passing through AMS from the far reaches of space. Over its long duration mission on the ISS, AMS will record signals from 16 billion cosmic rays every year and transmit them to Earth for analysis by the AMS Collaboration. This is the first of many physics results to be reported.

原文地址:http://www.ams02.org/2013/04/first-results-from-the-alpha-magnetic-spectrometer-ams-experiment/


参考资料
[1].  维基百科   http://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%98%BF%E5%B0%94%E6%B3%95%E7%A3%81%E8%B0%B1%E4%BB%AA
[2].  AMS-02   http://www.ams02.org

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