日內(nèi)瓦時(shí)間2016年12月8日19點(diǎn)，北京時(shí)間12月9日凌晨2點(diǎn)，阿爾法磁譜儀慶祝在國際空間站上運(yùn)行5周年，并發(fā)布在國際空間站上第一個(gè)5年的最新實(shí)驗(yàn)成果。

阿爾法磁譜儀（Alpha- Magnetic Spectrometer，簡稱“AMS”）是在太空運(yùn)行的最強(qiáng)大、最靈敏的粒子物理探測器，它不斷探尋和推進(jìn)物理學(xué)研究的最前沿。作為一個(gè)磁譜儀，AMS的獨(dú)特之處在于，它在空間中直接測量宇宙中的帶電粒子和核子。相對(duì)于以往的實(shí)驗(yàn)，AMS極大地提高了測量的準(zhǔn)確度和精確度。這歸功于AMS運(yùn)行時(shí)間長、接受度大、探測器系統(tǒng)冗余可靠、在歐洲核子中心（CERN）的加速器上進(jìn)行的細(xì)致的束流測試，以及高度穩(wěn)定、均勻的軌跡探測器溫度控制。這些特點(diǎn)保證了AMS的測量精度達(dá)到1%的水平，這要求物理及天文學(xué)家們創(chuàng)造出新的模型來解釋這些精確的數(shù)據(jù)。

自從2011年5月安裝在國際空間站上以來，AMS收集到超過900億個(gè)宇宙線事例。對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析在位于CERN的AMS科學(xué)運(yùn)行中心（SOC）以及世界范圍內(nèi)的AMS合作單位進(jìn)行。在國際空間站的壽命時(shí)間內(nèi)，AMS將會(huì)測量數(shù)千億的宇宙線事例。AMS的科學(xué)目標(biāo)包括尋找反物質(zhì)，暗物質(zhì)，以及宇宙線起源。在AMS第一個(gè)五年時(shí)間內(nèi)，AMS合作組隊(duì)對(duì)宇宙線中的基本粒子與核子進(jìn)行了精確的測量。AMS的最新結(jié)果包括正電子流強(qiáng)，正電子比例，反質(zhì)子-質(zhì)子比，以及電子、正電子、質(zhì)子，反質(zhì)子、氦核以及其它核子的流強(qiáng)。這些結(jié)果提供了準(zhǔn)確且出人意料的信息，推進(jìn)了對(duì)宇宙線產(chǎn)生、加速以及傳播的認(rèn)識(shí)。這些涵蓋多種宇宙線粒子的精確獨(dú)特的數(shù)據(jù)，需要一個(gè)全面的物理模型來描述。同時(shí)，通過嚴(yán)格的探測器驗(yàn)證和持續(xù)的收集數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)將會(huì)準(zhǔn)確判定所探測到的電荷為-2的粒子的來源。最要的是，AMS將一直隨著國際空間站運(yùn)行。正如AMS的物理結(jié)果所展示的，每當(dāng)像AMS一樣的精確實(shí)驗(yàn)被用于探索未知的世界，便總可以期待嶄新、激動(dòng)人心的新發(fā)現(xiàn)。

AMS是由諾貝爾獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)叨≌刂邢壬I(lǐng)導(dǎo)、全球16個(gè)國家和地區(qū)的56個(gè)研究機(jī)構(gòu)合作承擔(dān)的國際性大型科研項(xiàng)目， 超過1500名科研人員參與該項(xiàng)目的研究工作，中山大學(xué)是中國參與該項(xiàng)目的五所大學(xué)之一。

中山大學(xué)負(fù)責(zé)研制軌跡探測器（silicon tracker）的精密溫控系統(tǒng)，它為AMS軌跡探測器提供了穩(wěn)定的熱環(huán)境。AMS發(fā)射后，中山大學(xué)團(tuán)隊(duì)還參加了該軌跡探測器溫控系統(tǒng)的調(diào)試、以及5年以來的運(yùn)行監(jiān)控和維護(hù)，正是這個(gè)精密溫控系統(tǒng)使AMS的精確測量成為可能。

至今中山大學(xué)派遣了5位博士研究生參加了AMS數(shù)據(jù)分析，并且做出公認(rèn)的貢獻(xiàn)，其中參與AMS02首篇物理論文發(fā)表的翁致力博士已畢業(yè)并在MIT做博士后，延續(xù)AMS數(shù)據(jù)分析工作。另外四位在讀直博生馮劼、李樣、李紫源、盧森泉仍在歐洲核子研究中心AMS實(shí)驗(yàn)室，在不同的課題組從事相關(guān)研究工作。我們可以從他們的介紹中，斑窺AMS研究工作。

關(guān)于AMS科學(xué)操控中心（AMS payload operation control center，簡稱AMS POCC）

“初到丁教授的實(shí)驗(yàn)室時(shí)，我深深地被這里完善的團(tuán)隊(duì)分工與合作制度所震撼了。”參與宇宙射線反質(zhì)子與質(zhì)子比例測量的李紫源回憶道，“這是一個(gè)大型的國際合作項(xiàng)目，單單參與的國家就有中國，美國，德國，瑞士，意大利，西班牙等十多個(gè)。細(xì)分下去，每個(gè)國家都有好幾個(gè)獨(dú)立的單位參與實(shí)驗(yàn)。在丁教授的帶領(lǐng)下，每個(gè)單位分工明確，各司其職。而在探討學(xué)術(shù)的過程中，整個(gè)團(tuán)隊(duì)會(huì)細(xì)分成不同課題的科研小組，根據(jù)你感興趣的方向選擇不同的課題，參加不同的科研小組，不定期匯報(bào)研究進(jìn)展。”

丁肇中教授曾這樣介紹AMS POCC：“西方有圣誕，中國有新年，但國際空間站不會(huì)在節(jié)日關(guān)機(jī)。不然空間站從天上掉下來砸到人就不好了。所以AMS需要安排人24小時(shí)值班。”由于美國宇航局NASA的政策，我們很難直接與NASA學(xué)習(xí)交流。“同樣參與宇宙射線反質(zhì)子與質(zhì)子比例的測量工作馮劼介紹道：”丁教授特別關(guān)心中國年輕人發(fā)展，安排一個(gè)歐洲人或者美國人與NASA直接溝通，讓我們有機(jī)會(huì)在旁邊學(xué)習(xí)。”

“AMS探測器需要值班維護(hù)，關(guān)注儀器的穩(wěn)定性和溫度變化。“馮劼補(bǔ)充道：“我們不能控制空間站怎么飛。探測器有時(shí)給太陽曬著，溫度高，有時(shí)沒太陽時(shí)，溫度低。一般情況下，儀器依靠自身控溫系統(tǒng)調(diào)節(jié)溫度。但遇到極端情況，我們就要實(shí)時(shí)與天上的宇航員溝通，讓他們給我們提供更多電源支持，足以啟動(dòng)特殊的設(shè)備控溫。人手不夠時(shí)，我們每人一個(gè)月有10天需要值班，同時(shí)還要忙著手中的數(shù)據(jù)分析任務(wù)，所以自己不敢有周末和假期。有過這段經(jīng)歷，我才體會(huì)到世界一流科學(xué)家都是怎么刻苦工作的。”

每一位初來乍到的學(xué)生，都需要經(jīng)過嚴(yán)格的培訓(xùn)，才能進(jìn)行科研工作以及值班。丁教授為每一位新生設(shè)立了一系列的課程，包括宇宙射線，粒子物理，探測器，實(shí)驗(yàn)原理，電子學(xué)等等內(nèi)容。初步學(xué)習(xí)以上內(nèi)容后，需要在其他有經(jīng)驗(yàn)的同事的陪同下，學(xué)習(xí)如何監(jiān)控探測器的運(yùn)行狀況。阿爾法磁譜儀是在國際空間太空站上面運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)，運(yùn)行環(huán)境是非常復(fù)雜的，需要一天24小時(shí)全年無休地人工監(jiān)控，解決突發(fā)狀況。所以，值班也是在丁教授團(tuán)隊(duì)中的一項(xiàng)重要任務(wù)。

“在團(tuán)隊(duì)的3年多時(shí)間里，我獲益良多。”李紫源表示： “物理數(shù)學(xué)方面，我學(xué)習(xí)了前沿的宇宙射線知識(shí)，探測器的探測原理，粒子鑒別的技術(shù)，機(jī)器學(xué)習(xí)，模板擬合，貝葉斯分析等。計(jì)算機(jī)方面，我熟練掌握了多種編程語言，掌握了各種數(shù)據(jù)分析以及處理的技術(shù)。團(tuán)隊(duì)方面，我學(xué)會(huì)了如何在大型國際合作項(xiàng)目中與人合作。更為重要的是，從丁肇中教授的身上，我看到了作為科學(xué)家所需要的態(tài)度：嚴(yán)謹(jǐn)，一絲不茍，對(duì)科學(xué)負(fù)責(zé)。”

“AMS實(shí)驗(yàn)組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析通常由4個(gè)組獨(dú)立地進(jìn)行，由于AMS是一個(gè)精確度極高的探測器，數(shù)據(jù)分析的結(jié)果在各個(gè)獨(dú)立分析組之間達(dá)成一致才能發(fā)表。為了達(dá)到這樣的目的，分析過程中的每一步都要以精益求精的態(tài)度來完成。” 從事宇宙射線中氦粒子流強(qiáng)的測量、AMS探測器特性研究和反氦核的搜尋工作的盧森泉回憶道：“要做到這樣，最重要的是對(duì)探測器理解得足夠透徹。”

AMS與宇宙線

“宇宙中的輻射源（如恒星、大爆炸）產(chǎn)生的碳和氧的原子核，與恒星際物質(zhì)發(fā)生碰撞，分裂成較輕的鋰、鈹和硼的原子核，到達(dá)我們地球大氣層外時(shí)，既有碳、氧原子核，也有鋰、鈹和硼的原子核。”聚焦在碳、氧的流強(qiáng)和硼-碳流強(qiáng)比測量數(shù)據(jù)分析的李樣對(duì)其工作解釋道：“硼與碳的流強(qiáng)比，提供關(guān)于宇宙線傳播和傳播過程中所穿越的恒星際物質(zhì)的信息，可以用于對(duì)宇宙線傳播模型進(jìn)行限制。通常人們以快速移動(dòng)氣體在磁化等離子體中的擴(kuò)散過程來建立宇宙線傳播的模型。不同的磁化等離子體模型預(yù)言的硼-碳流強(qiáng)比具有不同的特征。 硼-碳流強(qiáng)比的測量對(duì)理解銀河系宇宙線的傳播機(jī)制有著重要的意義，可以有效限制宇宙線傳播模型的各種參數(shù)。”

宇宙線傳播模型的重要性還在于與新物理（如暗物質(zhì)）有直接聯(lián)系。因?yàn)橛钪婢€在銀河系傳播過程中也會(huì)與恒星際物質(zhì)作用，產(chǎn)生反質(zhì)子、正電子等次級(jí)產(chǎn)物，而這些產(chǎn)物被認(rèn)為是暗物質(zhì)湮滅信號(hào)的本底。暗物質(zhì)湮滅信號(hào)的確定對(duì)宇宙線傳播模型有較強(qiáng)的依賴關(guān)系，因此理解好宇宙線的傳播才能更好地理解暗物質(zhì)信號(hào)。 硼-碳流強(qiáng)比一直是理論和實(shí)驗(yàn)測量最為理想的選擇。

AMS數(shù)據(jù)處理

“我在日內(nèi)瓦向歐洲專家學(xué)到了世界頂尖空間探測器的設(shè)計(jì)，參與了具體的探測器校準(zhǔn)和物理重建工作。”馮劼回憶道：“高中物理書上說，帶電粒子經(jīng)過磁場會(huì)受洛倫茲力影響而偏轉(zhuǎn)。其實(shí)我們也就是應(yīng)用了這個(gè)探測原理，我們的工作就是從大量的數(shù)據(jù)中數(shù)有多少個(gè)粒子在探測器里向左拐，有多少向右拐。具體分析細(xì)節(jié)要復(fù)雜很多。由于探測器分辨率有上限，非常高能的粒子在磁場中幾乎不偏轉(zhuǎn)，這樣探測就有偏差。我們課題組引入機(jī)器學(xué)習(xí)的多變量分析方法，主要是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和決策樹方法。我們解決了這一難題，使正電子能譜和反質(zhì)子能譜順利發(fā)表。這種分析方法現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于大數(shù)據(jù)分析和自動(dòng)駕駛領(lǐng)域。”

“對(duì)硼和碳本底的估計(jì)，我們采用飛行數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法來處理，這樣可以減小系統(tǒng)誤差。”李樣道：“具體來說，在經(jīng)過事例選擇之后，篩選出探測器正常工作時(shí)間段內(nèi)，重建質(zhì)量良好的硼和碳事例。這樣，對(duì)硼和碳核子保持一致和較高選擇效率的同時(shí)，由較重核子碎裂導(dǎo)致的本底也被壓低了。但盡管如此，我們?nèi)匀恍枰烙?jì)其中的本底成分，這包括估計(jì)（1）硼和碳的樣本純度和（2）殘留的由較重核子與AMS頂部探測器作用碎裂為硼和碳的成分。我們利用AMS各個(gè)子探測器，從飛行數(shù)據(jù)中得到幾乎沒有本底的硼和碳樣本（稱之為信號(hào)模板）以及更重核子的樣本（稱之為本底模板），然后利用這些從飛行數(shù)據(jù)中得到的模板，來對(duì)經(jīng)過正常事例選擇后得到的數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行擬合，以此來估計(jì)硼和碳的本底。”

“質(zhì)子與反質(zhì)子比例測量的結(jié)果對(duì)于我們認(rèn)識(shí)宇宙射線的產(chǎn)生以及傳播具有重要的意義，并可以作為間接尋找暗物質(zhì)的手段。”李紫源介紹：“由于反質(zhì)子的數(shù)量非常稀少，這個(gè)課題的難點(diǎn)在于如何高效地選出純凈的反質(zhì)子。負(fù)電荷的粒子里面，主要的污染來自于電子。在特定的能量區(qū)域，反質(zhì)子不會(huì)產(chǎn)生切倫科夫輻射，而電子會(huì)產(chǎn)生切倫科夫輻射，基于此原理，我提出利用切倫科夫效應(yīng)選出純凈的反質(zhì)子的實(shí)驗(yàn)方法，并取得了顯著的效果，順利完成了宇宙射線反質(zhì)子與質(zhì)子比例的測量工作。”

“我設(shè)計(jì)了一種方法，將探測器分成上下兩個(gè)部分，并對(duì)比上下兩部分測量的數(shù)據(jù)，篩選出上半部分的信號(hào)正好是下半部分的兩倍的粒子，這些粒子說明了粒子在穿過探測器的時(shí)候有一部分被吸收了。結(jié)果發(fā)現(xiàn)這一類粒子集中地分布在探測器的某些區(qū)域，由此成功地找出了之前在AMS探測器中一直被忽略的一些細(xì)小的支架，從而改進(jìn)了計(jì)算機(jī)模擬程序，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加精確。”本科畢業(yè)論文就是在AMS合作組指導(dǎo)下完成的盧森泉回憶道：“ AMS是一個(gè)放在國際空間站上的粒子探測器，它的數(shù)據(jù)采集環(huán)境得天獨(dú)厚，因此我們有必要盡可能地利用采集到的數(shù)據(jù)，在里面盡量多地挖掘有用的信息。AMS有多個(gè)子探測器，每個(gè)子探測器都有其獨(dú)特的功能。如最上方的輻射探測器，在電子穿過時(shí)會(huì)發(fā)出輝光，而質(zhì)量大的粒子只有在能量極高時(shí)才發(fā)出輝光。最下面的電子量能器，電子穿過時(shí)會(huì)被其完全吸收，而質(zhì)量大的粒子則只會(huì)被部分吸收。因此綜合這兩個(gè)探測器的信息我們可以在射入AMS探測器的眾多粒子中分辨出電子來。為了使這兩個(gè)探測器發(fā)揮更大的作用，我分析了大量的數(shù)據(jù)，從電子量能器中篩選出那些不能被完全吸收的粒子，然后建立了這些粒子在輻射探測器里發(fā)出的光的亮度和它的能量的函數(shù)關(guān)系，從而使得綜合這兩個(gè)子探測器不僅能分辨出電子，更能測量大質(zhì)量粒子的能量，更有效地利用了AMS探測器的數(shù)據(jù)。”

在中山大學(xué)物理學(xué)院張宏浩副教授的指導(dǎo)下，馮劼還參與了宇宙射線的相關(guān)理論研究。他回憶道：“當(dāng)時(shí)張老師為我講解了宇宙線傳播方程的入門知識(shí)，以及方程對(duì)于脈沖星源的解析解，還給我提供了一些有用的參考文獻(xiàn)，使得我能夠快速進(jìn)入這個(gè)研究領(lǐng)域，此外我還向AMS合作組內(nèi)的國內(nèi)外科學(xué)家學(xué)習(xí)了一些知識(shí)。在撰寫文章初稿的最后階段是國外圣誕節(jié)假期，為了爭取在圣誕后交稿，我還連續(xù)帶病工作了一星期。后來文章順利地發(fā)表在國際重要學(xué)術(shù)期刊EPJC，我終于體會(huì)到什么叫愛拼才會(huì)贏。”在第一篇文章發(fā)表后，馮劼又繼續(xù)在這個(gè)領(lǐng)域開展進(jìn)一步的研究，后來又在國際學(xué)術(shù)期刊PRD上發(fā)表了一篇文章。