五种宇宙元素身世之谜被揭开中国科学报

宇宙中的磷、氯、氩、钾、钙从何而来？传统理论认为这些重原子核既可能由恒星演化过程产生，也可能由铁等更重的原子核在银河系内传播过程中与星际物质发生碰撞碎裂产生。近日，由诺贝尔物理学奖得主丁肇中教授主持、山东高等技术研究院作为核心单位参与的国际空间站阿尔法磁谱仪（以下简称“AMS”）实验项目公布了最新成果，该实验成为探索宇宙元素起源的里程碑式发现。

该成果以前所未有的精度测量了上述五种宇宙线原子核的能谱（能谱是描述粒子能量分布的核心物理概念），首次将能量范围扩展至万亿电子伏，他们总结出一条规律：目前已测的20种原子核能谱，均可归为两类初级成分和两类次级成分。

AMS核心目的是在太空环境下探测宇宙线，以此寻找宇宙中的反物质、暗物质，同时精确研究宇宙线的起源与性质，探索宇宙的构成奥秘。据了解，AMS自2011年升空以来，累计记录超过2500亿个宇宙线数据。山东高等技术研究院研究员、山东大学教授许伟伟和同事们历时近6年，从中精确筛选出100万个目标原子核样本。

记录并筛选并不容易，但更难的是分辨。许伟伟介绍，宇宙线中的重原子核穿过AMS探测器时，会与探测器外围覆盖的薄层材料碰撞，像子弹穿过墙壁一样发生碎裂——一个铁原子核可能碎成氯，也可能碎成氩。探测器捕捉到一个信号，如何判断它是“原装”还是“撞碎”的？该团队反复测量碎裂概率、评估背景噪声，最终攻克了这一难题。这是迄今能量范围最广、精度最高的相关观测结果。

许伟伟表示，上述成果揭示两大关键宇宙规律：其一，这五种元素均包含“初级”与“次级”两种成分。初级来自恒星爆炸等天体源，次级是更重原子核碎裂产生；偶数原子核氩和钙的初级成分占比，显著高于奇数原子核磷、氯、钾。其二，AMS团队测过的20种原子核能谱，全部可归为两类初级成分和两类次级成分。

上述发现对于人类探索宇宙元素起源意味着什么？许伟伟表示，宇宙始于大爆炸，最初只产生氢和少量氦，之后所有比铁轻的元素都在恒星内部核聚变中产生。此次测得的元素丰度和能谱，是任何宇宙元素起源理论模型都必须符合的基础数据。

据了解，接下来，AMS探测器将迎来重大升级。升级后，一年的高能宇宙线数据采集量将等同此前三年。AMS将继续测量钪、钛、钒、铬、锰等元素，拓展人类对宇宙元素起源的认知边界。