丁肇中：停不下来
霍弗特·席林约 16 分钟丁肇中（1936年1月27日—），物理学家，1976年诺贝尔奖得主
导读：
霍弗特·席林 | 撰文
2020 年 2 月 3 日，一个 43 岁的男人在推特上发布了一张自拍照。他写道：“在工作中，检查污水管是否泄漏。”你大概会说，这不是什么值得关注的事情。但是，这个人是意大利航天员卢卡·帕米塔诺。这条推文是从国际空间站发出的，照片展示的是帕米塔诺在十周内的第四次太空行走。而他正在检查的污水管，一组冷却管道，是一项造价20亿美元的、寻找反粒子和暗物质实验的一部分。
多谢帕米塔诺和NASA航天员安德鲁·摩根的修理，这台自2011年5月以来一直安装在空间站外部的阿尔法磁谱仪（AMS）重获新生。这令负责该项目25 年的首席研究员和诺贝尔奖获得者丁肇中非常高兴。丁肇中在他位于美国东海岸的家中接受Zoom 采访时告诉我，他相信AMS 将在2028年之前给出关于暗物质本质的明确答案。
许多暗物质探测器都位于地下深处的实验室里，这是为了让它们免受宇宙射线粒子的影响。在外太空，宇宙射线无处不在，因此AMS不可能用像晶体和氙实验那样的方式直接探测暗物质。反之，任务目标是找到可能由暗物质湮灭产生的反物质粒子。截至目前，结果至少可以说是令人惊讶和兴奋的。
物理学家自1932年以来就知道反物质的存在。对每种类型的基本粒子，都有一个相应的反粒子，其质量完全相同，但电荷和磁矩相反。然而，暗物质粒子的电荷为零，而且根据大多数模型，它们的磁矩也为零。如果是这样的话，它们就可以是自己的反粒子，当两个暗物质粒子碰撞时，它们可能会相互湮灭。正如E= mc2告诉我们的那样，湮灭的总能量会产生一系列普通粒子–反粒子对，包括质子（氢核）和反质子，以及电子和正电子（反电子）。
物理学家早已习惯太空中存在正反粒子对了。例如，它们可以由超新星爆炸产生的原子核与星际空间中的原子高速碰撞产生。但是，如果高能反质子和正电子出现的数量超过预期，则可能表明暗物质正在湮灭。这种可能性驱使着物理学家开始热切地寻找宇宙射线（来自外太空的各种高能粒子持续的“倾盆大雨”）中的反物质。然而，你在地面上无法做到这一点。宇宙射线在进入地球大气层时会产生次生粒子雨，因而地面探测器无法告诉你太多关于原始粒子性质的信息。如果你想寻找宇宙反物质，你需要有一块磁铁，并且需要进入太空。
我们来聊一聊粒子物理学家丁肇中。丁肇中出生在美国，他的童年在中国度过。1956年，他于20岁时回到美国，自1969年以来一直在麻省理工学院工作。1976年，丁肇中与斯坦福直线加速器中心的伯顿·里克特（Burton Richter）共同获得诺贝尔物理学奖，因为他们在 1974 年分别独立发现了寿命惊人的J/Ψ 介子，首个被发现包含一个粲夸克以及一个反粲夸克的粒子。1993年，美国国会决定取消计划中的超导超级对撞机项目，这是一个巨大的地下加速器，它本可以确保美国粒子物理学未来领先于世界。丁肇中对此感到沮丧，并将目光投向了太空和反物质的搜索。
幸运的是，同样也是在1993 年，NASA 与全球其他空间机构一起，同意就后来被命名为国际空间站（ISS）的计划合作一年。基础科学得到了高度评价，被视为建造、发射、组装和运行国际空间站所需的大量纳税人资金的主要理由之一，因此，使用未来的轨道实验室作为丁肇中心目中精确、巨大和耗能的磁谱仪的平台似乎是唯一合适的理由。这将是空间站科学的最好的利用方式。
就像任何地面粒子探测器一样，阿尔法磁谱仪采用一系列技术来测量几乎每一个穿过其内部的宇宙射线粒子的质量、电荷、速度和能量。实验的核心处是一个重达1200千克的巨型磁铁，磁场强度是地球的3000倍，可以令带电粒子的轨迹弯曲，从而使科学家能够区分带正电和带负电的粒子。由于一切都很新奇，NASA 要求该仪器在空间站执行长期任务之前先在航天飞机上进行技术鉴定飞行。大多数人都是不知道该从哪里开始，而丁肇中则是一旦有了计划，就不知道如何停下来。他赢得了NASA局长丹尼尔·戈尔丁的支持与合作，获得了能源部的大量种子资金，并与 16 个国家的成员进行了国际科学合作。AMS项目于 1995 年 4 月获得批准。第一版反物质探测器使用了来自欧洲和亚洲的多个研究所的组件，并在不到三年的时间里在CERN完成。
1998年6月2日，丁肇中见证了AMS–01搭载于发现号航天飞机的发射，这是该航天飞机的最后一次飞行。这架航天飞机飞往俄罗斯和平号空间站，但AMS–01从航天飞机的有效载荷舱开始运行。这台仪器工作得很好，虽然航天飞机任务受到了数据传输问题的困扰。这次实验甚至产出了一些意料外的科学结果，包括低能量正电子过剩。该发现发表于2000年的《物理快报B》。
最初的计划是在将同一台仪器，或者至少是非常类似的副本搭载于国际空间站上。但国际空间站的建成还需要好几年的时间，所以丁肇中团队有足够的时间来改进设计。最终，AMS–02 的尺寸为5米×4米×3 米（你的客厅可能放不下它），重量为7500千克，几乎是其前身的两倍。这台巨型仪器的各种探测器包含5万根光纤和1.1万个光电传感器。凭借其30万个电子通道和650个快速微处理器，AMS–02每秒产生7吉比特的数据，在此过程中耗能 2.5 千瓦。这台仪器原计划定于2005年发射。
然后，2003年2月1日这天，灾难发生了，哥伦比亚号航天飞机在重返大气层时解体，7名机组人员死亡。第二年，小布什政府为航天飞机计划制定了新的方针：所有未来的飞行都将用于国际空间站的后勤和备件运输。宇宙前哨基地建成后，航天飞机队将立即退役，再也没有专门的AMS飞行了。
丁肇中非常崩溃。AMS的设计与航天飞机的有效载荷舱相匹配，没有了航天飞机，它就无法飞行。他试图说服NASA的新任局长迈克尔·格里芬（Michael Griffin）在航天飞机的发射计划中再增加一次飞行，但格里芬在法律上有义务服从白宫的命令。
各大媒体都公布了取消AMS的决定。“直到美国国会议员意识到国际空间站上缺乏重大科学研究之后，AMS 的科学潜力和美国遵守国际协议的传统才赢得了两党的支持。”丁肇中回忆道。多亏了他的坚持，NASA 最终受命在空间载运清单中增加一次飞行，阿尔法磁谱仪的未来得到了保障。丁肇中的梦想最终实现了。
2011年5月16日，AMS–02在奋进号航天飞机的第25次，也是最后一次任务中被发射到国际空间站。三天后，航天员利用奋进号和国际空间站的机械臂，将这个巨大的仪器远程安装在了空间站中央桁架的第三段上。数据采集工作几乎是在安装后就立刻开始了，并一直持续到现在。
在AMS 终于被发射到太空时，它已不再是该领域的唯一参与者。一个由意大利领导的欧洲合作组织也建造了一个反物质探测器，叫作PAMELA，即反物质–物质探索和光核天体物理学有效载荷（Payload for Antimatter-Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics）。PAMELA大约有一个木桶那么大，重量不到 500 千克，比AMS小得多，也没有那么灵敏，但它自2006年6月作为俄罗斯地球观测卫星Resurs–DK1上的一个附加仪器被发射以来，一直在采集数据。在寻找来自外太空的暗物质信使的过程中，大卫会战胜歌利亚a 吗？
装载于国际空间站桁架上的阿尔法磁谱仪
2008 年 8 月，在举办于费城和斯德哥尔摩的会议上，PAMELA 合作组织展示了他们的初步结果。（对PAMELA前两年数据的完整分析发表于2009年4月的《自然》。）由于PAMELA 的运行时间比航天飞机搭载的AMS–01长得多，它已经捕获了足够多的稀有高能粒子并得出结论：丁肇中团队于2000年报告的正电子过剩在高于10亿电子伏特的能量中仍然存在。
新的结果引起了很大的轰动。所有这些来自外太空的反电子的来源可能是什么？没错儿，暗物质湮灭！芝加哥大学粒子物理学家丹·胡珀（Dan Hooper）对《自然》杂志记者杰夫·布鲁姆菲尔说：“这如果是真的，那么将是一个重大发现。”话又说回来，要排除可能的替代机制并不容易。反物质也可能产生于脉冲星（快速旋转且拥有强磁场的中子星）的高能环境。
2008年人们对在外太空间接探测暗物质的前景如此兴奋还有另一个原因。6月11日，NASA 发射了费米伽马射线空间望远镜——以意大利裔美国物理学家恩里科·费米（Enrico Fermi）的名字命名。凭借其覆盖近20%天空的巨大视野，费米的大面积望远镜或许能够探测到预期的来自银河系中心暗物质的伽马射线的光。
当然，暗物质是暗的，不应该发出任何电磁辐射。但是暗物质的湮灭确实会产生高能光子，要么直接产生（同样，E= mc2），要么作为最终产生粒子–反粒子对的复杂衰变链的一部分。由于银河系中暗物质的密度预计在银河系中心为最高，你会期望从那个方向产生更强的湮灭信号。
急于了解费米结果的科学家中，有一位是哈佛–史密森尼天体物理中心的道格拉斯·芬克贝纳（Douglas Finkbeiner）。现在是麻省理工学院物理学助理教授的特蕾西·斯拉蒂尔（Tracy Slatyer）当时是芬克贝纳的一位博士生。她回想起，费米团队于 2009 年 8 月 25 日宣布他们将公开发布第一年的数据后，芬克贝纳变得非常迫不及待。斯拉蒂尔说：“道格找到了将提供完整数据集的网页的地址，他不断地刷新网页，以确保我们能够尽快开始分析。”于是，这支哈佛大学的团队在潜在竞争对手还没有意识到数据集的存在时就已经开始了下载。
与芬克贝纳、博士后格雷格·多布勒（Greg Dobler）以及纽约大学物理学家伊利亚斯·乔里斯（Ilias Cholis）和尼尔·韦纳（Neal Weiner）合作，斯拉蒂尔确实发现了来自银河系中心的过量伽马射线，他们称之为“费米雾”。尽管他们于10月26日发表在arXiv预印本服务器上的描述这一发现的论文只是非常简短地提到了这种可能性，但暗物质一直在斯拉蒂尔的脑海中盘旋。的确，伽马射线过量也可能是由于一个被称为“逆康普顿散射”的过程，即光子被相对论性粒子踢到非常高的能量。但即使如此，这些粒子也必须从某个地方产生—它们也可能是暗物质湮灭产生的电子和正电子。
费米雾的论文最终于2010年7月发表在《天体物理杂志》上。而那个时候，这个故事变得更加激动人心了。最初，费米雾的形状看起来有点儿像鸡蛋，但在2010年年初，芬克贝纳团队在对更为大量的卫星数据进行更加复杂的分析时，意识到这些过量的伽马射线的形状更像数字8，一个竖着的双扭线。它看上去就像银河系中心向太空喷出两个巨大的气泡，沿着与其旋转轴相反的方向。
芬克贝纳、斯拉蒂尔以及博士生苏萌在5月29日发布在arXiv预印本服务器上的一篇论文中宣布，他们发现了“费米气泡”。哈佛大学于11月9日发布新闻稿时，配上了一幅令人印象深刻的巨大气泡的艺术渲染图，这个故事登上了世界各地的报纸。该论文最终发表在12月1日的《天体物理杂志》上。
银河系的核心到底发生了什么？什么机制可能在我们银河系中心平面的上方和下方产生两个巨大的、跨度约2.5万光年的伽马射线发射气泡？额外的观测结果强烈表明，这些气泡是快速喷流的结果，可能是几百万年前银河系中心发生的一些爆发事件造成的。喷射物中的高能电子和其他带电粒子可以通过上述的逆康普顿散射过程产生伽马射线。
斯拉蒂尔得知这些气泡可能不是解开重大谜团的钥匙时，起初有点儿失望。她说：“如果费米气泡可以用暗物质来解释，那将会非常有趣。”话又说回来，如果你在费米数据中寻找一个难以捉摸的可能不存在的暗物质湮灭信号，你真的需要了解所有其他产生伽马射线的机制。这三位研究人员写道：“我们必须了解这些气泡，才可以把对银河系内部弥散的伽马射线发射的测量用作暗物质物理学的探测器。”
芝加哥大学的丹·胡珀非常同意这一点。他对费米数据的独立分析显示，在银河系中心周围一个更小的、大致呈球形的区域内，存在额外过量的较低能量（只有几个GeV）的伽马射线。伽马射线的这种进一步集中显然与气泡无关，可能是由不同的机制产生的。在说服斯拉蒂尔相信其结果的有效性之后，这两位研究人员联手，并于 2013 年在仅线上出版的期刊《黑暗宇宙物理学》上发表了一篇详细的论文。
这些过量的低能伽马射线可能是暗物质湮灭造成的吗？还是说，那只是一厢情愿的想法？大量的毫秒脉冲星——自转速度非常快、每秒完成数百次旋转的脉冲星——也可能是原因，但这些奇异的天体怎么会在银河系中心平面上方和下方如此远、离银心远达一万光年的地方出现？
这一问题仍未得到解决。有许多反对暗物质解释的有力论据， 但最近，也有反对这些论点的有力论据。2017 年前后，毫秒脉冲星被普遍视为主要的候选解释。但两年后，在《物理评论快报》的一 篇论文中，斯拉蒂尔和麻省理工学院的同事丽贝卡·里恩（Rebecca Leane）得出结论：“暗物质可能最终为银河系中心过量的伽马射线提供了主导性的贡献。”
脉冲星还是暗物质？帮助建造AMS–02硅跟踪器的日内瓦大学天体粒子物理学家梅赛德斯·帕尼恰（Mercedes Paniccia）说，正是这个问题让国际阿尔法磁谱仪合作组织的理论学家们保持着清醒。当我计划在2019年6月访问CERN时，我曾希望在那里见到AMS首席研究员丁肇中，他通常在这个欧洲粒子物理实验室度过大部分时间。但显然他要去参加某个会议。当我与帕尼恰联系时，她告诉我：“他很难捉到，但我可以带你四处看看。来AMS POCC见我吧，就在946号楼。”
离CERN大门几千米处是有效载荷操作控制中心（POCC），它拥有一个永久性的高科技科学中心。物理学家和技术人员在房间两边的计算机控制台上工作。墙上巨大的屏幕提供来自国际空间站以及位于休斯敦的NASA约翰逊航天中心的任务控制中心的实时视图。一张巨大的数字版世界地图记录着空间站的实时位置。而我的视线无法从地图下方的大型显示屏上移开，上面显示了AMS–02自开始运行以来检测到的宇宙射线数量。在我停留的半个小时里，国际空间站从非洲上空飞到了太平洋上空，而发光的红色数字从139 767 027 021 跳到了 139 768 372 421。“每秒大约有600个事件，”梅赛德斯说，“其中大部分是质子。电子排在第二，但我们也探测到了许多较重的原子核、反质子和正电子。”其中一些可能是暗物质湮灭的结果，我不禁想道，又看了一眼数字计数器。
中央会议桌的一端是一个写着“丁肇中教授”的大铭牌和一把巨大的真皮办公椅。“我不确定他的行踪，”梅赛德斯说，“他特别忙。”
回到家后，我尝试通过至少三个不同的电子邮件地址联系丁肇中，但都没有得到回复。“可能很难预约采访，”阿姆斯特丹的暗物质研究员苏珊·巴塞格梅兹（Suzan Başeğmez）告诉我，“你知道的，他是诺贝尔奖得主。”丁肇中在麻省理工学院的私人助理克里斯蒂娜·提图斯也给我带来了坏消息：在我计划的2020年1月的东海岸之行期间，他将会出差。我几乎要放弃了。
最后，2020年9月，在又一封电子邮件请求之后，丁肇中回复了我。好的，我们可以在那个月的晚些时候进行Zoom采访。那天是我结婚 40周年纪念日，但我不介意。我预计采访会是一个约15分钟的简短谈话，我准备了一份简短的问题列表。然而，这位84岁的物理学家请我听了一场90分钟的私人讲座，并辅以数十张幻灯片。他用特有的柔和声音谈论着粒子物理学、反物质、探测器技术和政治。他还分享了个人逸事，比如在AMS–02的飞行因哥伦比亚号事故而取消后，他几乎对自己的项目失去了所有信心。还有，当他赶往肯尼迪航天中心观看粒子探测器的发射时，他是如何因超速而被罚款了245 美元。又或者，在奋进号起飞前他有多么担心会出问题—那样的话，这些年所有的努力就都白费了。
现在，距离丁肇中首次提出在太空中建立一个大型粒子探测器的想法已经过去了25年，他们已经捕获了超过1500亿个宇宙射线粒子，包括几百万个正电子，但他仍然不愿意宣称发现了湮灭的暗物质。当被问及他是否认为暗物质可以解释AMS的数据时，他回答说：“我的想法是什么并没有意义。这些数据提供了强有力的暗示，但还称不上是一个证据。”
诚然，能量在3~1000GeV之间的正电子比已知的天体物理过程所能解释的要多得多，而且其能量分布与规模较小的PAMELA实验数据不完全一致，该实验已于2016年停止运行。但是AMS的结果并没有为衰变的暗物质提供确切的证据：原则上，观测到的伽马射线过量（首次被描述是在2013年，于《物理评论快报》）可能是由我们银河系附近相对少量的高能脉冲星造成的——不幸的是，我们无法轻易追踪带电粒子的起源点。
话又说回来，AMS–02也发现了类似的过量反质子，而脉冲星的能量不足以产生这些质量更大的反粒子。如果正电子和反质子是由两种不同的机制产生的，那么它们表现出相同的能量谱似乎有点儿不太可能——如果不是大自然的阴谋的话。反之，如果这两种类型的反物质粒子都是暗物质湮灭的结果，你会期望它们表现出大体相似的行为，而这就是AMS–02数据所显示的。
到底是脉冲星还是暗物质？AMS–02有着更长的运行周期，收集到了更多的宇宙射线数据，以及相应的，更多数量的超高能反物质粒子，最终或许可以解决这个问题。这就是为什么丁肇中对航天员卢卡·帕米塔诺和德鲁·摩根在2019年11月中旬和2020年1月下旬之间成功开展4 次6个小时的太空行走感到如此高兴。多年来，AMS 冷却系统的4个泵中有3个已经坏了，在一系列具有挑战性和耗时的太空维修中，4个泵全都被替换成了新的重型泵，丁肇中在休斯敦任务控制中心密切关注着这一过程。而在第四次也是最后一次太空行走中，帕米塔诺修好了其中一个冷却管的泄漏，他在2月3日的推特中开玩笑地称之为“污水管”。
国际空间站将至少运行到2028年。丁肇中认为到那时，AMS–02将探测到足够多的高能反物质粒子，从而有可能将这些数据与预测的银河系中心暗物质湮灭的能量谱进行比较。与此同时，科学家在讨论一个更大、更灵敏的太空宇宙射线探测器，暂定名为AMS–100，可能会在 2040 年左右发射。如果实现的话，我预测它将以丁肇中的名字命名。
特蕾西·斯拉蒂尔和丹·胡珀都认为，来自银河系核心的伽马射线过量之谜可能会在几年内解决。他们对南非的MeerKAT 阵列和未来的平方千米阵（SKA）等大型射电观测站尤其抱有很高的期望。“如果银河系中心真的存在大量的高能毫秒脉冲星，”斯拉蒂尔说，“用SKA 进行的深度射电巡天应该能够找到数百个。”根据胡珀的说法，脉冲星专家只能通过假设存在高达300万个单独的脉冲星源来解释伽马射线观测。他说：“如果SKA 没有发现任何东西，我们就可以有把握地排除这种解释。”
但是，这并不一定会揭示AMS–02所观测到的过量高能正电子和反质子的来源—根据斯拉蒂尔的说法，它们仍然可能是由附近的脉冲星产生的。她说：“所有这些过剩的能量都来自同一个暗物质源是不太可能的。”
来自外太空的信使在不断地以宇宙射线粒子和高能伽马光子的形式向我们这颗小星球倾泻。在这场星际雪崩的某个地方，科学家可能会找到间接探测暗物质的关键。但就目前的状况而言，依然是大海捞针。
本文摘自《宇宙中的大象》一书，霍弗特·席林（Govert Schilling）著，胡奂晨翻译，中信出版社2023年11月出版，《赛先生》获授权在微信公众号平台首发。
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