今年春天，美国宇航局将发射一项可能成为本十年天体物理学领域最具变革意义的任务之一。但你几乎肯定从未听说过它——而且它甚至不会进入太空。这项名为高能轻同位素实验 (HELIX) 的任务旨在解决一个长期存在的谜团，即宇宙中究竟有多少反物质，以及它来自哪里——所有这些都将从地球平流层的高处进行，悬挂在一个巨大的气球下方，计划在地球荒凉的两极上空进行长时程飞行。
HELIX 由芝加哥大学的天体物理学家斯科特·韦克利领导，旨在研究宇宙射线——亚原子粒子从星际甚至星系际空间的深处倾泻到我们的星球。这些粒子包括普通物质的反电荷版本，称为反物质。科学家们怀疑，从太空倾泻到地球的反物质来源可能是几乎任何东西，从传统天体物理物体的排放到暗物质的神秘行为，暗物质是似乎支配星系大规模行为的无形物质。弄清楚哪种解释是正确的可能取决于一个看似简单的测量：衡量两种特定粒子在星系中穿梭的时间。这就像对宇宙射线进行碳年代测定。“模型各不相同。测量这个比率是每个人都想要的，”安大略省女王大学的天体物理学家、HELIX 团队成员娜希·朴说。
大多数宇宙射线是质子和轻原子核，据信是由星系内超新星爆炸产生的冲击波加速的。另一些是在这些原子核在传播过程中与星际气体碰撞时产生的。但另一种粒子——电子的反物质对应物，称为正电子——提出了一个谜题：自 2008 年以来的观测反复得出结论，正电子的数量超过了已知现象所能解释的。天体物理学家已经提出了模型来解释这些粒子来自哪里以及它们在银河系中遇到了什么相互作用。HELIX 的设计目的是测量一个参数，该参数可以排除对反物质和宇宙射线起源的一些推测。
支持科学新闻业
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻业 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保未来能够继续讲述关于塑造我们当今世界的发现和思想的具有影响力的故事。
星系的传统模型假设存在一个磁化区域，或“晕”，它延伸到银河系的恒星盘之外，并影响宇宙射线的传播路径。但这些模型无法轻易解释观测到的反物质水平。为了弥合这一差距，研究人员假设存在一个额外的、尚未发现的正电子源潜伏在那里。一种可能性是，暗物质是由缓慢移动的重粒子组成的海洋，它们的湮灭或衰变可能是神秘正电子过剩的来源。另一种可能性是，正电子可能来自未被发现的本地脉冲星——被称为中子星的恒星尸体的快速旋转版本——在我们星系的旋臂中的爆发。另一种解释是，如果粒子在晕中花费更多时间，则观测到的反物质通量可能是由正电子与星际气体碰撞产生的，而无需任何额外的天体物理源。争论的关键在于估计宇宙射线在星系中花费的时间，以及预测哪些宇宙射线——以及其中有多少——到达地球。这些数字反过来又是星系晕大小的代表，其范围使用现有技术无法测量。晕的大小影响地球上可探测到的正电子通量。
宇宙射线传播模型从原子核较重的原子（如碳）撞击质子或氦核时产生的一系列产物开始。这种反应可以剥落原子核的一部分，从而产生较轻的元素，如铍。“当发令枪响起时，你会得到一些[铍]同位素的混合物，”麦吉尔大学物理学家、HELIX 团队成员大卫·汉纳说，他指的是具有相同质子数但中子数不同的铍变体。然而，到达地球探测器的混合物取决于同位素在传输过程中花费的时间以及它们在途中发生的情况。由于科学家们正在寻找的铍同位素之一是放射性的，因此它可以作为“宇宙时钟”，追踪从产生到探测在星系中花费的时间：虽然铍 9 (9Be) 是稳定的，但铍 10 (10Be) 会在 140 万年内衰减到原来的一半。因此，测量 10Be 与 9Be 的比率可以给出宇宙射线在星系中花费时间的时间尺度。
每个粒子都很重要
HELIX 团队正准备在其首次飞行期间，从北极圈以北 120,000 英尺的大气层中测量铍同位素比率。研究人员的目标是计算到达探测器的每个高能粒子。HELIX 将使用一块强磁铁来偏转每个粒子的路径，并根据其在磁场中轨迹的曲率来计算其动量。另一个探测器将测量粒子的速度，使团队能够确定每个粒子的质量和身份。这些探测器是专门为轻粒子（即原子序数低于 10 的粒子；例如，铍的原子序数为 4）设计的，能量高达每核子 10 吉电子伏特 (GeV/n)——相当于一粒沙子从一厘米高度掉落所具有的能量。但对于一个在太空中飞驰的微小原子粒子来说，这是一个巨大的能量。在这些轻型高能粒子的通量上，相互竞争的模型存在预测差异。“当你走向更高能量时，测量变得越来越难，”朴说。这是一个数字游戏：因为到达地球的高能粒子较少，所以确定它们的通量更难。而且因为它们的轨迹弯曲较小，所以确定它们的动量也更难。
为了获得最大的弯曲力——从而提高动量分辨率——HELIX 使用超导磁体。但这并非没有缺点。超导性需要低温；用朴的话说，超导磁体“喝液氦”。这使得它们对于需要补充液氦成本非常高昂或不可能的长期太空任务来说是不可行的——但这种方法对于持续数天或数周的气球飞行非常有效，因为补给更容易。权衡之处在于，美国宇航局的阿尔法磁谱仪 (AMS-02) 等天基实验提供了远高于地球大气层主体的更长观测时间，而 HELIX 和其他气球载平流层实验的观测窗口较短，它们的视野在一定程度上被我们星球阻挡宇宙射线的空气所蒙蔽。
为了寻求两全其美，AMS-02 的最初计划包括一块超导磁体，但后来被一块无需供电的永磁体取代——就像冰箱门磁铁一样。这种磁体可以实现更长的持续时间，但磁场要弱得多。“我们意识到，如果我们能找到一块超导磁体，较弱的磁场为[铍]提供了科学机会，”韦克利说。这一认识催生了 HELIX 的诞生。
HELIX 使用了气球载高能反物质望远镜 (HEAT) 实验在 2000 年携带的同一块超导磁体。但相似之处仅止于此。有效载荷的每个其他元素都是全新的，并且是专门为 HELIX 设计的，这使得该实验能够逐个粒子地区分铍同位素。“我们想说，‘这个粒子是[铍 9]；那个粒子是[铍 10]。’据我们所知，这是目前没有人能做到的事情，”韦克利说。获得 10Be 与 9Be 的比率可能对于阐明宇宙反物质的来源至关重要。
意大利格兰萨索科学研究所的天体物理学家卡梅洛·埃沃利说，HELIX 的设计“独特性使其与 AMS-02 等大型多用途实验区分开来”。AMS-02 测量了跨能量谱的粒子通量，包括铍的总量，精度很高。但它无法区分单个同位素：它们的质量太相似，AMS-02 硬件无法可靠地识别它们。然而，该实验的悠久历史在其他方面可能是有益的：“虽然 HELIX 的设计具有更好的质量分辨率，但 AMS-02 已经收集了 12 年的数据，”AMS-02 的高级物理学家阿尔贝托·奥利瓦说。这个庞大的数据集应该允许使用统计工具区分同位素。但是，汉纳说，“这与看到它们分离完全不同。这就像看两颗模糊在一起的星星，而不是使用望远镜来显示每一颗星星。”
向上看
今年 1 月，HELIX 在位于德克萨斯州巴勒斯坦的美国宇航局哥伦比亚科学气球设施通过了“悬挂测试”，证明它可以与美国宇航局的数据发射器、天线以及对任务至关重要的其他基础设施进行通信。它现在已准备好从瑞典基律纳进行为期数周的发射窗口，该窗口将于 5 月 15 日开放。气球将携带 HELIX 大约一周，然后降落在加拿大北部某处。该团队将很高兴带回可以区分目标能量谱低端的同位素的干净数据。但诸如比预期更重的其他非铍宇宙射线阵雨等不可预见的影响可能会损害测量结果。“没有完全达到你想要的分辨率会很痛苦，”韦克利说。
如果一切按计划进行，下一步将是在南极洲上空进行为期两周的飞行，以收集足够的数据来测量能量为 3 GeV/n 的粒子。“你需要尽可能长时间地在高空，才能获得足够多的这些稀有粒子，”朴说。最终，通过升级后的仪器，为期 28 天的飞行可以测量高达 10 GeV/n 的铍同位素。希望这将足以确定这些粒子穿过星系的关键传输时间，并为它们的起源提供线索。
我们很幸运拥有铍。它的寿命非常适合探索本星系：如果它的寿命长 10 倍，它将适合探索更大的区域；如果它的寿命短 10 倍，它就会消失得太快而无法到达我们这里。“HELIX 任务作为帮助阐明反物质和银河系中所有宇宙射线行为之谜的关键角色而出现，”埃沃利说。实验首次战略性地准备好解决不同预测之间的差异，为深入了解支配宇宙射线在星系广阔空间中传输的基本过程提供了前所未有的见解。
但就目前而言，“我们只是希望飞行顺利，”韦克利说。