互动科普

宇宙线中的正电子异常源于暗物质?

AMS并不是惟一的试图探测宇宙线中反物质的实验。自20世纪90年代以来，有好几个气球实验（如HEAT, CAPRICE等）将探测器带到大气高层以探测宇宙线中的正电子。这些实验的结果虽然误差比较大，但却已有迹象表明，正电子在宇宙线中的比例与正电子的能量有关。在其所能探测的范围内，能量越大，正电子比例越高。这与正电子仅仅是宇宙线次级粒子的模型不太一致，有可能表示正电子还有别的来源。

2008年后，由俄罗斯、意大利、德国和西班牙联合研制的PAMELA卫星实验组，以及美国等国研制的费米伽马射线卫星实验组，先后发表了它们的宇宙线正电子实验结果（费米卫星虽然以伽马射线探测为主要目的，但也可以观测正电子）。它们都发现，在大于10GeV的能量处，观测到的正电子与电子的比例相比宇宙线模型的预期值要高。由我国紫金山天文台参加的气球实验ATIC，还发现宇宙线中总的正电子加负电子（该实验不能区分这二者）的流量也比理论预期要高，而且在800GeV附近可能有一个峰。如果这些结果是正确的，那么就似乎在暗示，在传统的宇宙线次级粒子之外，高能量的正电子还有其他来源。这个来源是什么呢？有可能是暗物质！因此，这些观测结果引起了研究者们极大的兴趣。

不过，理论研究也表明，用暗物质解释这一观测现象也不那么简单。原来，如果这些正电子来自暗物质湮灭，那么就要求这一湮灭速率比较高。但是，如果真是这样的话，在宇宙早期就会有较多的暗物质湮灭，而今天遗留下来的暗物质数量就比较少，这个结果可能与宇宙学的实际观测相矛盾。

为了解决这一矛盾，有些理论物理学家设计了一些物理机制，比如假定由于某种共振反应机制，在宇宙早期高温条件下湮灭截面小，而在宇宙晚期低温条件下湮灭截面大（所谓湮灭截面，是由暗物质粒子本身的物理特性决定的，湮灭的速率与之成正比）。不过，深入研究的结果表明，这些机制要取得成功的话，必须要满足相当苛刻的条件，因此显得过于人为而不自然。还有一些理论家猜想，在宇宙早期有另一种粒子，衰变产生了我们今天的暗物质，因此暗物质所具有的大湮灭截面，并不会导致宇宙早期由于大量湮灭而只遗留太少的暗物质。这些模型避免了矛盾，但为此要引入新的参数，而且无法像原来的模型那样，根据暗物质的弱相互作用湮灭速率来解释其现在的密度。

也有一些学者认为，这些实验观测到的正电子超出，也许不一定是暗物质导致的，观测表明有些脉冲星也在产生正电子。如果恰好在我们太阳系附近有几个脉冲星，也许就可以解释我们所观测到的正电子超出。

更为复杂的是，不同的实验其结果也不完全一致，比如费米实验与ATIC实验就不完全一致。众说纷纭之中，真相究竟如何呢？专为探测反物质粒子的AMS-02实验其设计远比上述实验精密，因此人们热切地期待着AMS-02的实验结果能够解开这一谜团。

（本文发表于《科学世界》2013年第5期）