尋找反物質
92/11/10
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林清一｜
成功大學航空太空工程學系／彰化師範大學工學院
AMS-02計畫
「國際太空反物質探索計畫」是一九七六年諾貝爾物理獎得主、美國麻省理工學院教授丁肇中博士所提出的，是將人造的磁場放在太空中，以搜尋高能的粒子，主要是追蹤反物質（anti-matter）粒子與暗物質（dark matter）粒子。太空高能物理學家相信，了解高能量的反物質與暗物質，可以解開宇宙大爆炸的發生之謎，以及黑洞形成的原因。
在這個計畫中，要建造超導磁鐵的磁質譜儀（alpha magnetic spectrometer, AMS），放在國際太空站上，進行為期數年的探索工作。AMS-01在一九九八年隨著太空梭升空進行了10天的實驗，發現到一如預期的粒子活動現象，但跡象不是十分明顯。因此，國際物理研究界即開始籌組團隊投入AMS-02的建造工作，因受二○○三年二月一日太空梭失事的影響，AMS-02計畫將延後至二○○六年十一月利用太空梭送至太空站上安裝。
科學家的構想是希望將AMS-02送到國際太空站上安置，避開地球大氣層的干擾，在太空中接收或捕捉到處亂竄的高能粒子。期望在五年的實驗中，可以觀測、捕捉到一些特殊的漫遊粒子。
AMS計畫獲得美國能源部高能物理研究部門相當大的贊助，並獲得航空太空總署（NASA）的全力支持，同時設於瑞士的歐洲粒子物理研究中心（CERN）也提供極充沛的資源，支持「國際太空反物質探索計畫」進行AMS的設計、製造、組裝、整測等研究發展工作。
捕捉反物質
一提到反物質，自然就聯想到是與人類現實環境所能觀測到的物質性質相反的物質起源。一個高能粒子在太空中漫遊，有可能與另一個粒子發生碰撞，當正物質粒子與反物質粒子碰撞時，即以光的形式質變而自然消失。不同的粒子互相聚集，可能形成近代物理學家所不甚了解的黑洞現象。科學家已經可以從實驗室製造出反物質，這種人造的粒子與太空中漫遊的反物質粒子意義不同。科學家想要探索宇宙大爆炸的年代，究竟是350億年或是400億年以前，這個問題可以從現存的反物質粒子所攜帶的能量來推估。
在反物質探索計畫的構想下，當一顆粒子被捕捉進入AMS-02內部的磁場時，因為帶電的關係，會產生軌跡偏轉的現象，若帶正電粒子的軌跡是向右偏移的話，那麼帶負電的粒子就會向左偏移。在AMS-01計畫中，研究團隊採用磁場強度是一千五百高斯（Gauss）的永久磁鐵，僅捕捉到一些可能的跡象，經過檢討，皆認為粒子能量太高、速度太快，質譜儀磁場強度不足以對粒子造成明顯的偏移作用，AMS-02必須加強磁場強度才能發揮影響。
因此，AMS-02改採低溫超導體電磁鐵，以建立二萬五千高斯的磁場，來捕捉高能高速的粒子。AMS-02的磁場強度大約是AMS-01的16倍，可能是人類現存運轉中少見的高強度磁場之一。
建立一個超強磁場
如何形成這麼強的磁場？建造這麼強大的磁場，當然存在著正面與負面的問題。第一、用什麼方法可以產生這麼強的磁場？科學家發現，只有超導體所建立的磁場才有可能達到此一要求。第二、如何保持穩定的超導溫度？經過特殊的研究，科學家發現，將大約是絕對溫度3～5度的液態氦，經過超流體的處理程序，將內部的氣泡「擠出來」，可以使溫度再下降幾度，達到絕對溫度1.6度（攝氏零下271.55度）。第三、如何將這麼大的磁鐵組裝起來，而且在太空梭發射的時候不會受到損害？第四、如何將超導磁鐵所產生的磁場精確地量測出來，以及如何從地球上做精確的控制？
此外，還有一個極為嚴肅的問題有待解決，這個超導磁鐵可能發生磁漏，以至於強大的磁場跑到AMS-02的外部，如何防止其他設備或太空人遭到磁場的影響而發生問題，例如有些設備會被磁場吸住而無法動作，或太空人的維生系統無法正常啟動，那可是一大災難！
超導磁鐵是AMS-02計畫的一項創舉。誠如丁肇中教授所言，AMS計畫的研究工作從來沒有人做過，團隊內每一個成員都利用各種專業的基本知識來解決未知的問題，更需要大家腦力激盪去發掘新的問題。超導磁鐵的左右兩邊是主磁極，用來產生所需的磁場，上下各六個彎曲的磁鐵組合，是用來將磁場轉彎成環形，以降低磁漏。在AMS-02的實體設計組裝時，須將所有的儀器裝置都放進去，由這些磁鐵所圍起來的空間內，可以看得出來，這樣的團隊必須包含物理、機械、電子、材料等各方面的科學家及工程技術人員的組合，才有可能達成任務。
在AMS-02的磁場內的軌跡追蹤器是由八層極精密的電子網板所組成，就像是八張非常精密的方格紙，每格網目只有1微米（即1 × 10－6公尺），從上到下必須經過雷射光的定位校準。當高能的粒子進入軌跡追蹤器時，會穿過這八層電子網板所組成的追蹤器，並由粒子計數器將粒子數記錄下來，因為軌跡彎曲的緣故，每一層所記錄下來的資料，可以呈現出粒子軌跡彎曲的完整訊息。例如，粒子經過第一層的座標為（02, 03）、第二層的座標為（02, 04）、第三層的座標為（02, 05）……，依次類推，就可觀測到粒子轉彎的現象。這個精密的軌跡追蹤器必須保持恆定的溫度，才不會產生誤差。
在AMS-02內的上與下各有一個飛行時間紀錄器，用來記錄穿入AMS-02粒子的飛行時間，亦即從進去到穿透的時間，以得到代表粒子的飛行速度。而在底部有兩個儀器RICH及ECal，分別記錄入射粒子的質量與所攜帶的能量。其他的儀器如TRD、SRD等，也都是物理學家設計出來迎接高能粒子的儀器裝備，這些裝備都是AMS-02計畫各團隊菁英所設計製造出來的。
當科學家們得知高能粒子的速度、能量、質量、帶電量等數據後，可以很快地分析出這個粒子的物理特性，並研判出它的各種物理意義。這些數據的分析工作，更是有待許多科學家接手。
我國沒有缺席
AMS-02到目前為止，共有16個國家60個研究機構四百位博士，領導至少二千位技術人員參與計畫的開發建置工作，估計光是AMS-02的造價即超過一億美元，加上各團隊投入的人力、物力、後勤支援等，相關支出超過百億美元以上的經費。
我國參與AMS-02計畫的團隊，包括負責電子系統與構裝電路製造的中山科學研究院，負責電子系統的監造與物理特性分析工作的中央研究院與中央大學，負責超導磁場量測與驗證工作的成功大學。此外，成大工作團隊還負責整個AMS-02電源供應系統的設計與製造。
為達成工作目標，成大航太系的工作團隊特別製作了一個AMS-02原尺寸模型，目前正在臺中精密機械研發中心（PMC）進行磁場量測系統的校正與訓練中。在AMS-02計畫中，成大航太系團隊的一小部分工作，是針對超導磁鐵內部與外部的磁場分布進行精密的量測，並建立磁場分布的繪圖檔案數據資料庫。在後續的數據分析計算中，將利用這個工作計畫所完成的數據資料庫，執行粒子的彎曲能力計算，以掌握粒子的基本特性。本計畫我國參與部分，所需的精密機具設備及精準的模型，都是由我國團隊自行設計製造的。
丁肇中教授最近又委託成大負責AMS-02電源供應系統的設計與製造，須於指定時間內完成AMS-02各項儀器設備所需的電源系統。本項計畫已經進行團隊的籌組與經費及計畫的規畫，將有包括成大電機系、航太系、彰化師大電機系、工業技術研究院、太空計畫室、以及部分卓越的製造公司參與本計畫，並與義大利、瑞士、美國、英國、西班牙等國的團隊共同結合。
同心協力，只許成功
誠如國科會魏哲和主委於九十二年四月十五日，在自由時報上所發表的看法，各國都是「帶著便當」參加AMS-02計畫，也就是團隊所需的經費都必須自行籌措。一旦獲得丁肇中教授及核心小組認可的計畫工作，必須責無旁貸地去完成，丁肇中教授對AMS-02計畫僅下達一個命令：「AMS-02只許成功！」由此可見AMS-02國際團隊的壓力有多大。AMS-02計畫並未受到最近「哥倫比亞」號（Columbia STS-107）太空梭失事的影響，仍依原訂計畫進行，預計於二○○五年十月二十八日發射，送入國際太空站安裝，進行實驗工作。
AMS-02將由太空梭（STS）攜帶送到國際太空站上，就如同每一次太空梭發射一樣，各實驗團隊必須於二○○五年五月前進駐NASA甘迺迪太空中心（Kennedy Space Center, KSC）進行發射前的準備工作。AMS-02將於二○○五年初，在瑞士日內瓦CERN進行組裝與初步的測試，各項校正實驗都必須逐項完成驗證。我國團隊屆時都必須隨著AMS-02前往瑞士參與最後組裝、測試階段的整備工作，隨後並進駐甘迺迪太空中心以完成發射前的準備工作。
