上个月初，丁肇中教授领导的AMS-02实验公布了他们的实验结果。《牛顿－科学世界》邀我写一篇科普文章，我和研究生黄晓渊写成此文，日前已在该杂志上刊出，发表的版本略有删节。

关于暗物质，一个最常被公众问到的问题就是“暗物质是不是反物质？”对于一般人来说，“反物质”和“暗物质”听上去都是挺神秘的东西，但这二者其实是指不同的事情，不过彼此之间也并非毫无联系。前不久（2013年4月3日）诺贝尔物理学奖获得者丁肇中教授在欧洲核子中心(CERN)公布了他所领导的阿尔法磁谱仪（AMS)组的工作，这既是一个反物质探测实验，又是一个暗物质探测实验。

1.反物质

反物质在今天可谓大名鼎鼎，一般人都听说过－－虽然也许不一定了解它究竟是什么。我们都知道，相对论和量子力学是现代物理学的两大基础。1928年，英国物理学家狄拉克试图把二者结合起来，建立一套满足相对论的量子力学理论。他的理论预言自然界应该存在一种与普通的电子质量、自旋等性质都相同，唯独电荷相反的粒子。这听上去很疯狂，因为从来没有人见过这样的粒子。但1932年，Carl Anderson 在实验中真的发现了这种粒子，证实了狄拉克的预言。由于这样的粒子电荷与电子相反，因此不妨称其为反电子。不过，它还有一个更常用而且很容易把人弄糊涂的名字：“正电子”，这里的“正”指的是它的电荷是正的，而不是指它是正粒子，而我们普通所说的电子，本来是真正的“正物质”，却被称为“负电子”。不过这是个特例，质子是带正电的，它对应的反物质粒子就称为反质子，而并不叫做负质子，请读者千万不要搞混了。后来其它基本粒子的反粒子也陆续被发现了。反物质与正物质碰到一起时，比如说正电子与负电子碰到一起时，就可能同时消失，转化为两个高能光子，光子的能量由爱因斯坦的质能公式决定：E=mc²。这里m就是电子的质量。这个正反粒子相互作用后消失而产生其它粒子的过程叫做“湮灭”，湮灭后产生的粒子静质量往往比原来的粒子低得多，比如光子的静质量就是0，因此正反粒子对的一大部分质量可以转化为动能。正因为有这样的性质，在科幻小说里反物质经常作为星际飞船的能源出现。

今天象正电子这样的反物质已经不足为奇了，虽然现在还不能象科幻小说里那样制造和储存大量反物质，但在较小的规模上反物质已得到了应用，比如在不少医院里现在可以做正电子断层扫描，使用的就是正电子。在实验室中产生正电子也很简单，有些不稳定的同位素核比如氟18衰变时，就会产生正电子。还有一种办法是，可以用较大的能量让不同的粒子发生碰撞，在高能量的碰撞中会产生各种各样的粒子，其中就往往会有反粒子。因此，对于粒子物理学家们来说，反物质并不陌生。不过,物理学家们对反粒子越是熟悉，就越难回答这样一个问题：既然反物质与正物质除了电荷相反之外看上去几乎没有什么区别，为什么我们周围都是正物质而几乎没有反物质呢？上帝为何如此偏爱正物质而歧视反物质呢？当然，如果正物质和反物质刚好一样多，那么它们最终都会湮灭掉，地球和人类将不存在，也不会有人提出这样的问题了！可是，人们还是不免会问，究竟是什么因素决定了正物质多于反物质？在茫茫太空之中，会不会哪里有个反地球，上面生活着由反物质组成的你我呢？

在上世纪60年代，一位名叫阿尔文(Alfven)的瑞典物理学家就提出了这样的设想。这位阿尔文教授是一个非常特立独行的科学家，他的许多思想和表述是如此非正统，以至于他的论文常被业界的主要学术期刊拒稿，往往发表在一些没人听说过的期刊上，甚至当他获得了诺贝尔奖之后，很多物理学家对他仍然不怎么尊敬。阿尔文的主要贡献是在等离子体方面，等离子体中的一种波就被称为阿尔文波。不过，他还有一个很著名的猜想，就是也许宇宙分为许多不同的区域，有的区域里的物质是正物质，而有的区域里的物质则基本是反物质。在这些区域的交界处，正反物质相遇湮灭，产生的光子使边界处形成炙热而稀薄的等离子体，它们之间相互的压力保持这些不同的区域分隔开。在夜空中，用大型的望远镜可以看到数以亿记的星系，阿尔文想象其中有一些星系，也许就是反物质组成的：毕竟，反物质同样可以形成原子，甚至凝聚成星球，只要不接触正物质，我们很难看出它们有任何异常。

上世纪90年代，丁肇中教授在考虑自己下一个要做的研究题目时也许想起了阿尔文的反物质星系。丁肇中1936年生于美国，他祖籍山东日照，在台湾长大后到美国从事粒子物理实验研究，成为麻省理工学院的教授。他设计安装在粒子加速器中的复杂探测仪器，能够探测到那些在高能量的正负电子碰撞中产生的粒子，重建它们的轨迹并精确测量它们能量。1974年，在分析实验数据时，他的小组发现了一种新的粒子，几乎与此同时，另外一个小组也发现了这种粒子，两个小组分别用英文字母J和希腊字母 $\psi$ 命名这种粒子，因此后来这一粒子就被称为J/ $\psi$ 粒子。后来的研究表明，J/ $\psi$ 粒子是由一种新的夸克组成的，这种夸克被称为粲夸克(charm quark)，丁肇中也因此获得了1976年度的诺贝尔物理学奖。此后，丁肇中继续从事高能物理实验研究。1980年代，欧洲核子中心(CERN)开始建造大型正负电子对撞机(LEP)，这是当时世界上最重要、规模最大的粒子物理实验，这一对撞机上有四个探测器组，其中称为L3的探测器就是由他领导的团队研制并运行的，有近四百名来自世界各国的研究人员参加，这一实验1989年开始运行，发表了许多重要的论文。

90年代初，丁肇中已年届六旬，功成名就，领导着L3这样的大实验组。对于多数人来说，处在这个年纪和地位，可能不会再去费力气开始一个全新的大型实验了。但是，丁肇中并不是这样想的。他有一个新的设想：把粒子探测器弄到地球大气层之外的太空中，看看能不能找到反物质。如果阿尔文的理论是正确的，那些由反物质组成的星系中会有大量由反粒子组成的原子核，比如反氦核，甚至反碳核、反铁核等，也许有一些这样的粒子会穿过正反物质区域的边界，跑到我们地球附近来，那么我们就可能探测到它。

阿尔文的理论从来不曾成为宇宙学的主流理论，不过60年代这一理论刚提出来时它仍不失为一种有趣的可能。毕竟，狄拉克的反电子也曾显得相当疯狂却最终被实验证实。但是，到了90年代，随着天文学的发展，在大量的观测面前，阿尔文的这种图景已经不太能站得住脚了。如果宇宙中有象他预言的那样的反物质区域的话，在正反物质区域交界处，应该有湮灭产生的大量伽玛射线，这时已有了一些伽玛射线天文观测，而并没有任何观测表明存在这么大量的伽玛射线。另一方面，也有许多实验，特别是宇宙微波背景的实验，支持宇宙大爆炸理论。按照大爆炸理论，宇宙早期的确存在很多反物质，正物质和反物质的密度相差也许只有一百亿分之一，但这二者是混合在一起的，而并没有象阿尔芬设想的那样在空间上分隔开来，因此后来随着宇宙中温度降低，它们都会相互湮灭，转化为光子[1]。正物质稍多一点，因此最后得以存留下来，至于为什么宇宙早期正物质会略多那么一点点，时至今日也还是个未解之谜，物理学家们提出了种种猜想，但迄今还无法确定哪一种是正确的[2]。

不过，尽管可观测的宇宙中似乎并不存在反物质区域，在空间中寻找反物质粒子还是件很有意义的事。空间中仍然有少量的反物质粒子存在，但它们主要是“基本粒子”，比如反质子和正电子，而不是由多个反物质粒子组成的反原子核。这些反粒子来自何处呢？它们是不稳定核素衰变以及高能量粒子碰撞中产生的。这些过程产生的反粒子碰到正粒子时会发生湮灭，不过星际空间中物质的密度很低，因此反粒子在湮灭前还可以传播相当长的距离。因此，只要宇宙中存在高能量的粒子，就一定会有少量反物质粒子存在，但是它们很难象在阿尔文所设想的反物质世界里那样结合成由多个粒子组成的反原子核。

2.宇宙线

二十世纪初人们就已经发现，有一些高能量的粒子从地球外飞来，它们大部分被地球大气层所阻隔，但还是有不少到达我们生活的地面。这些粒子被称为宇宙线。这里我们要稍微解释一下，有时我们说地球大气层之外的空间是真空，这是和地球大气相对比说的。严格地说，那里并不完全是真空，而是有一些密度相当低的气体，此外还弥漫着一些更为稀少的、我们刚才说到的高能宇宙线粒子。

在粒子物理学界，粒子的能量常用百万电子伏特（MeV)或十亿电子伏特(GeV)表示，一电子伏特是一个电子在通过一伏特的电场时获得的能量。作为对比，温度大约一万度的气体，其中每个核子的动能大约是一个电子伏特的量级。因此，我们可以看出宇宙线粒子所具有的能量远远大于我们日常熟悉的环境中一般粒子的能量，甚至也远高于太阳和其它恒星内部的粒子能量。

宇宙线粒子中最多的是质子，也就是电离的氢原子的核，其次是电离的氦核，这并不令人奇怪，因为这些正是宇宙中最常见的元素，此外当然也有许多其它的原子核，也有电子，还有正电子、反质子等反物质，但数量比正物质少得多。

越是能量高的宇宙线粒子越是稀少。实际上，很久以来人们就认识到，宇宙线粒子的能谱也即能量分布近似服从幂律分布，也就是粒子数量正比于E^-n ，其中幂律指数n~2.5。如图所示，10¹¹eV（100 GeV)能量的宇宙线粒子，每平方米每秒有一个，而10¹⁶eV(1千万GeV)能量的宇宙线粒子则是每平方米每年有一个。宇宙线中的电子比较少一些，也呈幂律分布，但其幂律指数约为3。

宇宙线能谱（取自维基百科），横轴为能量，纵轴为流量，图中用蓝色阴影表示测量误差

这些具有很高能量的宇宙线粒子来自哪里呢？著名的物理学家费米认为，它们可能是逐渐加速而获得这样的能量的。这些天体加速器是什么呢？现在一般认为主要是在超新星遗迹中逐渐加速获得能量的。在银河系中，不时有一些恒星发生剧烈的超新星爆炸，这些爆炸之后在几万年甚至更长的时间里，它产生的冲击波会一直在星际空间传播，直到其能量最后耗尽。一些粒子碰上冲击波后，就象乒乓球撞上向它挥来的球拍一样获得一些能量。当然，在一次碰撞中得到的能量并不多，但这些粒子是带电的，在磁场的作用下粒子会绕圈飞行，反复回来，每次都获得一些能量，因此其能量会越来越高，其在磁场中回转的半径也就越来越大，直到其半径大到超过了磁场的范围，这时它们就脱离了超新星遗迹，在银河系中传播。银河系中也有磁场，因此它们在银河系中也是绕着螺线飞行，逐渐扩散到整个银河系中。这种机制产生的宇宙线粒子能量就服从幂律分布。在这一过程中，有些宇宙线粒子会与其它粒子相碰，并产生许多次级粒子，其中也包括正电子、反质子等反物质粒子。由于宇宙线粒子的能量分布是幂律分布，在这些碰撞过程中产生的反粒子其能量分布也应该是幂律分布。

如果宇宙线次级粒子是反物质的唯一来源的话，找到这些反粒子有一定科学意义，但似乎还谈不上带来突破性的发现。不过，到了丁肇中提出到太空中去找反物质的时候，人们又想到了另一种反物质粒子的可能来源，它比宇宙线次级粒子要有意思的多。

3. 暗物质

这个新的反物质粒子来源就是神秘的暗物质，而暗物质正是现代天文学和物理学中最大的谜团之一。

彗发座星系团

早1930年代，瑞士天文学家弗里兹·兹威基（Fritz Zwicky）就通过观测星系团最早发现了暗物质。兹威基在研究彗发座星系团的成员时发现其中的星系运动速度异常的高，通过计算对如此高速运动的星系束缚所需要的引力，估算出星系团的总质量应该是其可见物质质量的一百倍以上。也就是说，在该星系团中99%以上的质量是看不见的，我们只能通过引力“感觉”到它们的存在，兹威基就将这些质量称为暗物质。尽管兹威基的结果在刚发表时并没有多少人理会，但此后越来越多的观测结果都间接证实了暗物质的存在。比如，和兹威基观测星系团同样的原理，通过观测星系中恒星和气体的公转速度，也确认了星系中有大量暗物质存在。我们的银河系中暗物质总质量大约是可见物质（包括发光的恒星和不发光的星际气体物质等）的20倍。最后，人们发现宇宙中不可见的暗物质远多于可见的发光物质。

暗物质是什么呢？人们首先想到的当然是不发光的普通物质（宇宙学上称为重子物质），如气体、行星等。但是，经过多方面的研究，发现它们只能占暗物质的一小部分，而不足以构成暗物质的主要部分。根据宇宙中轻元素的丰度以及微波背景辐射(CMB)等测量，可以知道重子物质只占宇宙总密度的约5%，而暗物质与重子物质共占宇宙总密度的约1／3（其余2／3是现在成为暗能量的一种更为奇特的物质形式），所以暗物质不可能是由普通物质所构成。

我们迄今为止只能通过引力作用知道暗物质的存在，而无法直接看到它。不过，根据天文上的许多观测，我们可以推测到它的许多性质。大量研究表明，它不是我们今天已知的任何一种粒子，它不发光（不参与电磁相互作用），它的运动速度不能太快（“冷”或“温”暗物质而不能是“热”暗物质）。就目前而言，最被看好的暗物质模型是所谓弱相互作用重粒子（Weakly Interacting MassiveParticle，WIMP）。

物理学上发现了物质的四种基本相互作用形式，一般读者都比较熟悉万有引力和电磁相互作用，但除此而外，还有两种相互作用力，被粒子物理学家称为强相互作用和弱相互作用。所有的物质都参与万有引力作用，但未必参与其它几种相互作用。比如，电子就不参与强相互作用，而中微子不参与强相互作用和电磁相互作用。如果一种粒子不参与电磁相互作用和强相互作用，那么就象中微子一样，很难被发现，有充当暗物质的可能。本来，最容易想到的可能的暗物质就是人们早已发现的中微子，但已知的几种中微子质量太小，因此作为暗物质候选者早已被排除。但是，可以设想存在某种粒子，不参与强相互作用和电磁相互作用，但参与弱相互作用，同时质量比质子和中子大，这样的粒子就是WIMP。

WIMP之所以成为暗物质的热门候选者主要有三个原因：首先，WIMP具有“冷暗物质”的各种性质，而基于冷暗物质的宇宙学模型与观测符合得比较好。其次，在粒子物理理论中比较容易构造出符合WIMP特点的粒子。例如，超对称理论就预言可能存在最轻超对称粒子，这种粒子如果不带电就很容易符合WIMP的特性。还有一个原因，就是如电子和反电子一样，WIMP 暗物质粒子也有可能相互湮灭。一种可能性是，暗物质也可以区分为正粒子和反粒子，相互湮灭。还有一种可能是，暗物质粒子和反粒子是同一种粒子（拿我们熟悉一点的粒子举例，光子的反粒子也是光子），这样两个暗物质粒子之间也可以湮灭。在宇宙早期物质密度比较高，暗物质粒子之间可以相互湮灭，形成其它粒子，对于具有典型的弱相互作用的暗物质粒子，它们之间发生湮灭的速度正好是这样一个值，使得最后遗留下来的暗物质粒子的密度恰恰与目前暗物质密度的观测值基本相等。

超对称暗物质湮灭：两个超对称暗物质粒子（中性微子）湮灭后最终产生正负电子对或质子－反质子对 

暗物质粒子湮灭后可能会产生稳定的高能粒子如伽马射线、正电子、反质子、中微子等，如果我们能够精确测量这些粒子的能谱，可能会发现暗物质粒子留下的蛛丝马迹。其中，与我们这里讨论的问题直接相关的，是正电子和反质子这些反粒子。一般的宇宙线粒子虽然在碰撞时可能产生反粒子，但产生的数量相对于正物质粒子比较少，其能量分布也是幂律谱。WIMP湮灭产生的正物质粒子和反物质粒子数量一样多，因此会导致较高的反粒子密度。而且，由于暗物质粒子本身有特定的质量，两个WIMP湮灭时释放的总能量为2Mc²,如果这由两个粒子带走，那么每个粒子的能量就是暗物质粒子的质量。因此，这样产生的反物质粒子能量分布不会是幂律谱，而是在暗物质粒子质量附近有一个峰。探测反物质的能谱，是间接地寻找暗物质的一种很好的方法。

4. AMS 实验

丁肇中教授和很多实验物理学家一样，并不特别注意时髦的理论。在一次演讲中他说，问题不在于暗物质理论是否正确，而在于当一项实验测量了以前没有测过的东西时——在更高的能量上，或者以更高的精度，或者在以前从未进行过的地方比如太空进行时，就有可能做出新的发现。在90年代，丁肇中提出的阿尔法磁谱仪(AMS)实验正是这样一种实验。当然，前面所说的间接探测暗物质的前景，使这项实验对整个科学界特别是理论家来说也颇有吸引力。

阿尔法磁谱仪由分层放置的不同类型的粒子探测器组成。当一个高能量的粒子穿过它时，这些不同的探测器可以测出其飞行轨迹，产生的辐射和次级粒子，测出其能量。阿尔法磁谱仪中包括一个巨大的磁铁，它使进入探测器的带电粒子轨迹发生偏折，这样就可以测出其电荷和质量，从而判断粒子的种类。AMS-02原计划使用超导磁铁，这样其磁场比较强，将有更高的灵敏度。但是，后来超导磁铁的低温制冷系统在研发中遇到了困难，达不到空间站工作的需求，因此最终还是使用了永磁铁，这样虽然灵敏度低一些，但由于永磁铁不象超导磁铁那样需要在低温下才能运行，可以在空间站上运行的寿命更长。

阿尔法磁谱仪示意图, 中间为磁铁，图中绘出了一条穿越探测器的粒子轨迹和各探测器的记录点。TRD:渡越辐射探测器，TOF:飞行时间探测器, ACC:反偶合计数器，探测器，RICH：环形切伦柯夫成像探测器，ECAL:电磁量能器。

在太空进行的实验与地面的实验不同，太空的环境恶劣，发射的成本很高，如果发生了故障很难象地面实验那样可以随时修理或者更换部件，而且弄不好还会危及到整个航天器和航天员的安全。因此，任何太空的科学实验都要经过仔细的设计和长期的准备，需要投入大量的人力物力。这需要一个大团队的合作，而不是单个或少数几个科学家的打拼。团队的领导者，不仅要起到组织协调的作用，在学术上把握整个研究方向和整体方案，还要花费大量时间去争取经费上和政治上的支持。丁肇中教授在这些方面显然都做得非常成功。整个AMS团队包括来自16个国家和地区的56个单位，五百多名科学家参加。其中，我国有北京航空航天大学、山东大学、高能物理研究所、东南大学、中山大学、上海交大、中国运载火箭技术研究院、中国科学院电工研究所等单位，还有台湾的中央大学、中央研究院、中山科学研究院、国科会等也参予了这一项目。中国科学家和技术人员在项目中发挥了非常重要的作用。

首先进行的是AMS－01实验，它被搭载在发现号航天飞机上，1998年6月2日飞入太空。许多国家参与了AMS－01实验，我国科学家也在其中发挥了相当重要的作用，包括提供探测器所需的高磁场强度永磁铁。AMS-01获得了观测结果，验证了这一实验的技术可行性。这一实验发现的反物质都是象正电子、反质子这样的简单粒子，而没有发现反氦核，这又是否定阿尔文反物质星系理论的一个证据。

2011年5月，奋进号航天飞机停靠在国际空间站上

国际空间站上的AMS－02实验

在此基础上，丁肇中教授又组织了AMS-02实验，这一实验计划研制更大、更精密的探测器，放到国际空间站上，进行长期的观测。国际空间站是由美国、欧盟、俄罗斯、日本和加拿大共同研制的一个空间站，由很多模块拼接而成，长72.8米，宽108.5米，高约20米，总质量约450吨，上面有航天员长期值守，进行各种实验。AMS-02是一个重约6.7吨的探测器，呈柱形，搭载在国际空间站上。由于AMS 实验需要用的电力相当多，把它放在单独的卫星上比较困难，而大型的国际空间站电力比较充足，因此正适合搭载这一实验。

AMS－02原订2005年发射，几经推迟后，AMS-02于2011年5月19日由奋进号航天飞机运到国际空间站并安装在空间站大梁的外面。 此后，AMS-02就开始了不间断的运行。

5. 宇宙线中的正电子异常

AMS 并不是唯一的试图探测宇宙线中反物质的实验。自上世纪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，以及美国等国研制的费米伽玛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（费米卫星虽然以伽玛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，观测到的正电子的比例相比宇宙线模型的预期值要高。另一个有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）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，那么似乎它们都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它来源。这个来源是什么呢？有可能是暗物质！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，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，可能与宇宙学观测相矛盾。

有一些理论物理学家设计了一些物理机制试图解决这一矛盾，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（湮灭截面是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需要相当苛刻的条件，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，衰变后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，但在这些模型中要引入新的参数，而且无法象原来的模型那样，根据暗物质的弱相互作用湮灭速率自然地解释其现在丰度。

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。

6. AMS 的实验结果

AMS 把参与实验的人分成A组和a（希腊字母阿尔法）组,各自独立地进行数据处理，然后再进行对照，以确保数据处理无误。2013年2月下旬，AMS实验组宣布他们将在不久之后发表与暗物质有关的实验结果，这引起了人们的关注。4月3日，丁肇中教授在CERN 报告了他们的实验结果，这一结果也同时发表在物理评论快报(PhysicalReview Letters)上。

AMS-02以前所未有的实验精度进行了宇宙线正电子观测，在前18个月的观测中，AMS-02实验组测到了250亿个宇宙线事例，并确认了其中包含680万个电子、正电子的事例，证实了之前PAMELA和费米等实验所发现的正电子比例相对于宇宙线理论预言的超出。由于高能量的事例比较稀少，PAMELA和费米实验在高能区数据较少，而由于AMS实验数据较多，他们可以获得更高能量的正电子谱。AMS-02的实验误差比以前的实验都小得多，但它证实了以前实验所发现得总的趋势：正电子的比例在较低能量时（<10GeV)本来在逐渐降低，但在较高能量时这一比例开始上升,这一趋势一直持续到现在数据的能量上限350GeV以上。他们也探测到了一些更高能量的事例，但这些事例比较少，出于谨慎，目前还没有公布350GeV以上[3]。这些“超出”的正电子有可能是暗物质湮灭产生的。

2013年4月AMS－02发布的正电子在宇宙线中的比例，包括AMS观测与其它实验的数据对比。根据宇宙线粒子能谱的幂律分布，随着粒子能量的增加，其比例应该不断下降。但实验发现在能量大于10GeV时，正电子的比例开始上升，这些“超出”的正电子有可能是暗物质湮灭产生的。图中数据点上下的线段表示实验的误差范围，AMS－02的实验误差最小。

AMS-02的另一个实验结果是测量了这些正电子射来的方向。带电粒子在磁场中是旋转飞行的，因此我们看到的宇宙线粒子的入射方向并不指向它的源。不过尽管如此，如果这些正电子来自极少数近处的源比如说脉冲星的话，在这些方向上宇宙线的流量还是会略微高一些。AMS－02测量了来自不同方向的正电子比例，结果在各能量段都得到了各向同性的结果，这一结果不支持正电子超出来自近邻源（比如少数脉冲星）的解释，不过也还没有完全排除这种可能。

7. 结语

总之，从AMS-02这次公布的数据看，正电子比例随能量升高的现象确确实实是存在的，这些超出的正电子可能不是宇宙线次级作用产生的，而有可能来自暗物质。但是，另一方面，这一证据仍然是间接的，而且如前所述，用暗物质解释它也存在需要的湮灭截面过大的问题，并非那么简单。

那么，有没有什么办法能够确认正电子确实来自暗物质呢？前面说过，由于暗物质本身有一定的质量，因此它的湮灭产生的正电子能量有一个峰，峰值比较接近暗物质质量，而且这个峰会比较尖锐。反之，如果是其他原因产生了正电子超出，那么可能就没有峰，而只有比较平缓的斜坡或鼓包。因此，如果我们能在正电子比例中探测到这个能量上的峰，就比较有把握了。ATIC实验给出了在800GeV附近的峰，但费米实验没有观测到峰，而只观测到比较平缓的谱。AMS的实验精度和可靠性高得多，但目前还没有给出这一能量段的结果，不过在稍低的能量，谱的形状比较接近费米实验的结果，而数值还更低，这与ATIC的结果似乎不太一致，对暗物质湮灭理论的支持也不太强。随着AMS运行时间增长，观测到更多事例后，也许可以给出对更高能量处的正电子比例的测量结果，从而得到更明确的结论。

我国南京紫金山天文台也计划发射一颗暗物质探测卫星，进行暗物质间接探测实验。该卫星具有较好的能量分辨率，希望能找到正负电子能谱中的峰。

暗物质和暗能量是21世纪初物理学天空上的“两朵乌云”。20世纪初的“两朵乌云”（以太漂移问题和黑体辐射问题）曾导致了相对论与量子力学的发现，那么暗物质和暗能量又预示着什么样的突破呢？我们期待着解开秘密的那一天。

[1]宇宙早期温度正反粒子也会发生湮灭，但这时大量存在的高能粒子相互碰撞，还会不断产生出反物质粒子，因此这时反物质粒子很多。

[2]当然，还存在着这样的可能，就是阿尔文的设想在极大的尺度上成立，我们宇宙中整个可以观测到的部分都处在一个正物质区域内，但在此之外存在反物质区域，我们目前还看不出有什么办法可以用观测证实或者证伪这种可能性。

[3]   读者会注意到图中实验数据的绝对值大小相差较多，而变化的趋势比较一致，实际上绝对流量是比较难测准的，对于检验不同的理论来说后者更重要。