日內瓦時間2016年12月8日19點，北京時間12月9日凌晨2點，阿爾法磁譜儀慶祝在國際空間站上運行5周年，并發布在國際空間站上第一個5年的最新實驗成果。

阿爾法磁譜儀（Alpha- Magnetic Spectrometer，簡稱“AMS”）是在太空運行的最強大、最靈敏的粒子物理探測器，它不斷探尋和推進物理學研究的最前沿。作為一個磁譜儀，AMS的獨特之處在于，它在空間中直接測量宇宙中的帶電粒子和核子。相對于以往的實驗，AMS極大地提高了測量的準確度和精確度。這歸功于AMS運行時間長、接受度大、探測器系統冗余可靠、在歐洲核子中心（CERN）的加速器上進行的細致的束流測試，以及高度穩定、均勻的軌跡探測器溫度控制。這些特點保證了AMS的測量精度達到1%的水平，這要求物理及天文學家們創造出新的模型來解釋這些精確的數據。

自從2011年5月安裝在國際空間站上以來，AMS收集到超過900億個宇宙線事例。對這些數據的分析在位于CERN的AMS科學運行中心（SOC）以及世界范圍內的AMS合作單位進行。在國際空間站的壽命時間內，AMS將會測量數千億的宇宙線事例。AMS的科學目標包括尋找反物質，暗物質，以及宇宙線起源。在AMS第一個五年時間內，AMS合作組隊對宇宙線中的基本粒子與核子進行了精確的測量。AMS的最新結果包括正電子流強，正電子比例，反質子-質子比，以及電子、正電子、質子，反質子、氦核以及其它核子的流強。這些結果提供了準確且出人意料的信息，推進了對宇宙線產生、加速以及傳播的認識。這些涵蓋多種宇宙線粒子的精確獨特的數據，需要一個全面的物理模型來描述。同時，通過嚴格的探測器驗證和持續的收集數據，研究團隊將會準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行。正如AMS的物理結果所展示的，每當像AMS一樣的精確實驗被用于探索未知的世界，便總可以期待嶄新、激動人心的新發現。

AMS是由諾貝爾獎獲獎者丁肇中先生領導、全球16個國家和地區的56個研究機構合作承擔的國際性大型科研項目， 超過1500名科研人員參與該項目的研究工作，中山大學是中國參與該項目的五所大學之一。

中山大學負責研制軌跡探測器（silicon tracker）的精密溫控系統，它為AMS軌跡探測器提供了穩定的熱環境。AMS發射后，中山大學團隊還參加了該軌跡探測器溫控系統的調試、以及5年以來的運行監控和維護，正是這個精密溫控系統使AMS的精確測量成為可能。

至今中山大學派遣了5位博士研究生參加了AMS數據分析，并且做出公認的貢獻，其中參與AMS02首篇物理論文發表的翁致力博士已畢業并在MIT做博士后，延續AMS數據分析工作。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實驗室，在不同的課題組從事相關研究工作。我們可以從他們的介紹中，斑窺AMS研究工作。

關于AMS科學操控中心（AMS payload operation control center，簡稱AMS POCC）

“初到丁教授的實驗室時，我深深地被這里完善的團隊分工與合作制度所震撼了。”參與宇宙射線反質子與質子比例測量的李紫源回憶道，“這是一個大型的國際合作項目，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。細分下去，每個國家都有好幾個獨立的單位參與實驗。在丁教授的帶領下，每個單位分工明確，各司其職。而在探討學術的過程中，整個團隊會細分成不同課題的科研小組，根據你感興趣的方向選擇不同的課題，參加不同的科研小組，不定期匯報研究進展。”

丁肇中教授曾這樣介紹AMS POCC：“西方有圣誕，中國有新年，但國際空間站不會在節日關機。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小時值班。”由于美國宇航局NASA的政策，我們很難直接與NASA學習交流。“同樣參與宇宙射線反質子與質子比例的測量工作馮劼介紹道：”丁教授特別關心中國年輕人發展，安排一個歐洲人或者美國人與NASA直接溝通，讓我們有機會在旁邊學習。”

“AMS探測器需要值班維護，關注儀器的穩定性和溫度變化。“馮劼補充道：“我們不能控制空間站怎么飛。探測器有時給太陽曬著，溫度高，有時沒太陽時，溫度低。一般情況下，儀器依靠自身控溫系統調節溫度。但遇到極端情況，我們就要實時與天上的宇航員溝通，讓他們給我們提供更多電源支持，足以啟動特殊的設備控溫。人手不夠時，我們每人一個月有10天需要值班，同時還要忙著手中的數據分析任務，所以自己不敢有周末和假期。有過這段經歷，我才體會到世界一流科學家都是怎么刻苦工作的。”

每一位初來乍到的學生，都需要經過嚴格的培訓，才能進行科研工作以及值班。丁教授為每一位新生設立了一系列的課程，包括宇宙射線，粒子物理，探測器，實驗原理，電子學等等內容。初步學習以上內容后，需要在其他有經驗的同事的陪同下，學習如何監控探測器的運行狀況。阿爾法磁譜儀是在國際空間太空站上面運行的實驗，運行環境是非常復雜的，需要一天24小時全年無休地人工監控，解決突發狀況。所以，值班也是在丁教授團隊中的一項重要任務。

“在團隊的3年多時間里，我獲益良多。”李紫源表示： “物理數學方面，我學習了前沿的宇宙射線知識，探測器的探測原理，粒子鑒別的技術，機器學習，模板擬合，貝葉斯分析等。計算機方面，我熟練掌握了多種編程語言，掌握了各種數據分析以及處理的技術。團隊方面，我學會了如何在大型國際合作項目中與人合作。更為重要的是，從丁肇中教授的身上，我看到了作為科學家所需要的態度：嚴謹，一絲不茍，對科學負責。”

“AMS實驗組的實驗數據分析通常由4個組獨立地進行，由于AMS是一個精確度極高的探測器，數據分析的結果在各個獨立分析組之間達成一致才能發表。為了達到這樣的目的，分析過程中的每一步都要以精益求精的態度來完成。” 從事宇宙射線中氦粒子流強的測量、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）產生的碳和氧的原子核，與恒星際物質發生碰撞，分裂成較輕的鋰、鈹和硼的原子核，到達我們地球大氣層外時，既有碳、氧原子核，也有鋰、鈹和硼的原子核。”聚焦在碳、氧的流強和硼-碳流強比測量數據分析的李樣對其工作解釋道：“硼與碳的流強比，提供關于宇宙線傳播和傳播過程中所穿越的恒星際物質的信息，可以用于對宇宙線傳播模型進行限制。通常人們以快速移動氣體在磁化等離子體中的擴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言的硼-碳流強比具有不同的特征。 硼-碳流強比的測量對理解銀河系宇宙線的傳播機制有著重要的意義，可以有效限制宇宙線傳播模型的各種參數。”

宇宙線傳播模型的重要性還在于與新物理（如暗物質）有直接聯系。因為宇宙線在銀河系傳播過程中也會與恒星際物質作用，產生反質子、正電子等次級產物，而這些產物被認為是暗物質湮滅信號的本底。暗物質湮滅信號的確定對宇宙線傳播模型有較強的依賴關系，因此理解好宇宙線的傳播才能更好地理解暗物質信號。 硼-碳流強比一直是理論和實驗測量最為理想的選擇。

AMS數據處理

“我在日內瓦向歐洲專家學到了世界頂尖空間探測器的設計，參與了具體的探測器校準和物理重建工作。”馮劼回憶道：“高中物理書上說，帶電粒子經過磁場會受洛倫茲力影響而偏轉。其實我們也就是應用了這個探測原理，我們的工作就是從大量的數據中數有多少個粒子在探測器里向左拐，有多少向右拐。具體分析細節要復雜很多。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，這樣探測就有偏差。我們課題組引入機器學習的多變量分析方法，主要是神經網絡和決策樹方法。我們解決了這一難題，使正電子能譜和反質子能譜順利發表。這種分析方法現在被廣泛應用于大數據分析和自動駕駛領域。”

“對硼和碳本底的估計，我們采用飛行數據驅動的方法來處理，這樣可以減小系統誤差。”李樣道：“具體來說，在經過事例選擇之后，篩選出探測器正常工作時間段內，重建質量良好的硼和碳事例。這樣，對硼和碳核子保持一致和較高選擇效率的同時，由較重核子碎裂導致的本底也被壓低了。但盡管如此，我們仍然需要估計其中的本底成分，這包括估計（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各個子探測器，從飛行數據中得到幾乎沒有本底的硼和碳樣本（稱之為信號模板）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據中得到的模板，來對經過正常事例選擇后得到的數據樣本進行擬合，以此來估計硼和碳的本底。”

“質子與反質子比例測量的結果對于我們認識宇宙射線的產生以及傳播具有重要的意義，并可以作為間接尋找暗物質的手段。”李紫源介紹：“由于反質子的數量非常稀少，這個課題的難點在于如何高效地選出純凈的反質子。負電荷的粒子里面，主要的污染來自于電子。在特定的能量區域，反質子不會產生切倫科夫輻射，而電子會產生切倫科夫輻射，基于此原理，我提出利用切倫科夫效應選出純凈的反質子的實驗方法，并取得了顯著的效果，順利完成了宇宙射線反質子與質子比例的測量工作。”

“我設計了一種方法，將探測器分成上下兩個部分，并對比上下兩部分測量的數據，篩選出上半部分的信號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候有一部分被吸收了。結果發現這一類粒子集中地分布在探測器的某些區域，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小的支架，從而改進了計算機模擬程序，使得實驗結果更加精確。”本科畢業論文就是在AMS合作組指導下完成的盧森泉回憶道：“ AMS是一個放在國際空間站上的粒子探測器，它的數據采集環境得天獨厚，因此我們有必要盡可能地利用采集到的數據，在里面盡量多地挖掘有用的信息。AMS有多個子探測器，每個子探測器都有其獨特的功能。如最上方的輻射探測器，在電子穿過時會發出輝光，而質量大的粒子只有在能量極高時才發出輝光。最下面的電子量能器，電子穿過時會被其完全吸收，而質量大的粒子則只會被部分吸收。因此綜合這兩個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。為了使這兩個探測器發揮更大的作用，我分析了大量的數據，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出的光的亮度和它的能量的函數關系，從而使得綜合這兩個子探測器不僅能分辨出電子，更能測量大質量粒子的能量，更有效地利用了AMS探測器的數據。”

在中山大學物理學院張宏浩副教授的指導下，馮劼還參與了宇宙射線的相關理論研究。他回憶道：“當時張老師為我講解了宇宙線傳播方程的入門知識，以及方程對于脈沖星源的解析解，還給我提供了一些有用的參考文獻，使得我能夠快速進入這個研究領域，此外我還向AMS合作組內的國內外科學家學習了一些知識。在撰寫文章初稿的最后階段是國外圣誕節假期，為了爭取在圣誕后交稿，我還連續帶病工作了一星期。后來文章順利地發表在國際重要學術期刊EPJC，我終于體會到什么叫愛拼才會贏。”在第一篇文章發表后，馮劼又繼續在這個領域開展進一步的研究，后來又在國際學術期刊PRD上發表了一篇文章。