互动科普

空间站上的瑰宝

这是一个精美的宇宙线探测器——阿尔法磁谱仪可以扫视宇宙，搜寻暗物质、反物质……它与空间站互相证明了彼此存在的价值。

撰文 乔治·马瑟（George Musser）

翻译 谢懿

就在不久前，领导完成建造国际空间站并在2010年底让航天飞机退役的美国宇航局宣布，它不再计划将阿尔法磁谱仪送上太空了。这可是世界上最先进的宇宙线探测器，花了16年和20亿美元来才造出来，却可能被永远封存在库房中了。幸而，物理学家们的游说和美国国会延长航天飞机的计划挽救了它。于是，“奋进”号航天飞机的最后一次任务就是把阿尔法磁谱仪（Alpha Magnetic Spectrometer，AMS）送往国际空间站。

宇宙线，是高速穿行于太空中的亚原子粒子和原子核，起源自普通恒星、超新星爆发、中子星（neutron star）、黑洞和人们还不知道的一些物质——这些未知的物质也是最吸引人的东西，是造全新仪器的主要推动力，暗物质（dark matter）可能是其神秘来源之一。在太空中，暗物质成团聚集，也许偶尔会释放出能被探测器探测到的粒子。一些物理学家还怀疑，地球可能正在不断受到来自由反物质组成的遥远星系所发出的反原子的撞击。

阿尔法磁谱仪的名声就在于，它可以区分混在一起的普通物质和特殊物质。除它之外，再没有别的仪器能探测出一个粒子的所有特性：质量、速度、类型和电荷。和阿尔法磁谱仪最接近是2006年由欧洲发射的反物质探测和轻核天体物理载荷（PAMELA）。PAMELA发现了暗物质和其他奇特物质的线索，但由于无法把正电子这样的低质量反粒子和质子这样具有相同电荷的高质量普通粒子区分开，它的发现仍模棱两可。

以空间计划的标准来看，阿尔法磁谱仪是个庞然大物，重7吨（比PAMELA重14倍）、功耗2 400瓦。在一种奇特的共生关系中，它和国际空间站互相证明了彼此存在的价值。国际空间站满足了阿尔法磁谱仪对电力和轨道再推进的需求；反过来，虽然阿尔法磁谱仪无法完全平息人们对国际空间站的诸多质疑，但至少意味着这个前哨站可以从事世界级科学研究。就像欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）在地上探索自然的深层奥秘一样，阿尔法磁谱仪在空间轨道上也会做同样的事情。

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1飞行时间系统1

目的：测量粒子的速度和电荷。

设计：当带电粒子穿过时会发光的透明高分子薄片。

运转：两组这样的探测器就可以测定带电粒子飞过AMS所需的时间。

2磁铁

目的：弯曲带电粒子的路线。

设计：磁场强度为0.15特斯拉的永久磁铁。它替换了最初设计中使用的低温超导磁铁，因而寿命更长。

运转：当带正电的粒子穿过它时会向左偏折，带负电的则会向右。

3硅追踪器

目的：测量粒子的电荷和动量。

设计：9个平面的粒子探测器。

运转：跟踪穿过磁场的每个粒子的轨迹。

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1跃迁辐射探测器

目的：区分低质量和高质量粒子。

设计：20层的纤维和管子。

运转：当低质量粒子穿过纤维时，它会发出X射线，后者会被下面一排充满气体的管子探测到。

2飞行时间系统2

环成像切伦科夫探测器

目的：测量粒子速度。

设计：被光传感器环绕的气凝胶和氟化钠。

运转：气凝胶中的光速会比真空中的小5%；在氟化钠中则小23%。一个以接近真空光速运动的粒子会发出特有的蓝色锥形光，被称为切伦科夫辐射。

3反符合计数器

目的：识别从侧面进入的粒子。

设计：由当带电粒子穿过时会发光的透明高分子板组成的圆柱形。

运转：一个粒子需要飞过整个探测器的长度才能使得所有探测器获得所需数据。这个探测器会记录下从侧面飞入的粒子，因此，控制系统会清除掉它们留在其他仪器中的信号。

4电磁热量计

目的：测量粒子的类型和方向。

设计：和嵌入的光纤环氧化在一起的铅箔层。

运转：粒子会轰击这些材料并产生一片残骸；这些残骸的特性可以指证出粒子。和其他仪器不同，这个热量计也会记录下诸如光子这样不带电的粒子。

5带正电荷的粒子 6带负电荷的粒子