今年春天，美國宇航局將發射一項可能成為本十年天體物理學領域最具變革意義的任務之一。但你幾乎肯定從未聽說過它——而且它甚至不會進入太空。這項名為高能輕同位素實驗 (HELIX) 的任務旨在解決一個長期存在的謎團，即宇宙中究竟有多少反物質，以及它來自哪裡——所有這些都將從地球平流層的高處進行，懸掛在一個巨大的氣球下方，計劃在地球荒涼的兩極上空進行長時程飛行。
HELIX 由芝加哥大學的天體物理學家斯科特·韋克利領導，旨在研究宇宙射線——亞原子粒子從星際甚至星系際空間的深處傾瀉到我們的星球。這些粒子包括普通物質的反電荷版本，稱為反物質。科學家們懷疑，從太空傾瀉到地球的反物質來源可能是幾乎任何東西，從傳統天體物理物體的排放到暗物質的神秘行為，暗物質是似乎支配星系大規模行為的無形物質。弄清楚哪種解釋是正確的可能取決於一個看似簡單的測量：衡量兩種特定粒子在星系中穿梭的時間。這就像對宇宙射線進行碳年代測定。“模型各不相同。測量這個比率是每個人都想要的，”安大略省女王大學的天體物理學家、HELIX 團隊成員娜希·樸說。
大多數宇宙射線是質子和輕原子核，據信是由星系內超新星爆炸產生的衝擊波加速的。另一些是在這些原子核在傳播過程中與星際氣體碰撞時產生的。但另一種粒子——電子的反物質對應物，稱為正電子——提出了一個謎題：自 2008 年以來的觀測反覆得出結論，正電子的數量超過了已知現象所能解釋的。天體物理學家已經提出了模型來解釋這些粒子來自哪裡以及它們在銀河系中遇到了什麼相互作用。HELIX 的設計目的是測量一個引數，該引數可以排除對反物質和宇宙射線起源的一些推測。
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星系的傳統模型假設存在一個磁化區域，或“暈”，它延伸到銀河系的恆星盤之外，並影響宇宙射線的傳播路徑。但這些模型無法輕易解釋觀測到的反物質水平。為了彌合這一差距，研究人員假設存在一個額外的、尚未發現的正電子源潛伏在那裡。一種可能性是，暗物質是由緩慢移動的重粒子組成的海洋，它們的湮滅或衰變可能是神秘正電子過剩的來源。另一種可能性是，正電子可能來自未被發現的本地脈衝星——被稱為中子星的恆星屍體的快速旋轉版本——在我們星系的旋臂中的爆發。另一種解釋是，如果粒子在暈中花費更多時間，則觀測到的反物質通量可能是由正電子與星際氣體碰撞產生的，而無需任何額外的天體物理源。爭論的關鍵在於估計宇宙射線在星系中花費的時間，以及預測哪些宇宙射線——以及其中有多少——到達地球。這些數字反過來又是星系暈大小的代表，其範圍使用現有技術無法測量。暈的大小影響地球上可探測到的正電子通量。
宇宙射線傳播模型從原子核較重的原子（如碳）撞擊質子或氦核時產生的一系列產物開始。這種反應可以剝落原子核的一部分，從而產生較輕的元素，如鈹。“當發令槍響起時，你會得到一些[鈹]同位素的混合物，”麥吉爾大學物理學家、HELIX 團隊成員大衛·漢納說，他指的是具有相同質子數但中子數不同的鈹變體。然而，到達地球探測器的混合物取決於同位素在傳輸過程中花費的時間以及它們在途中發生的情況。由於科學家們正在尋找的鈹同位素之一是放射性的，因此它可以作為“宇宙時鐘”，追蹤從產生到探測在星系中花費的時間：雖然鈹 9 (9Be) 是穩定的，但鈹 10 (10Be) 會在 140 萬年內衰減到原來的一半。因此，測量 10Be 與 9Be 的比率可以給出宇宙射線在星系中花費時間的時間尺度。
每個粒子都很重要
HELIX 團隊正準備在其首次飛行期間，從北極圈以北 120,000 英尺的大氣層中測量鈹同位素比率。研究人員的目標是計算到達探測器的每個高能粒子。HELIX 將使用一塊強磁鐵來偏轉每個粒子的路徑，並根據其在磁場中軌跡的曲率來計算其動量。另一個探測器將測量粒子的速度，使團隊能夠確定每個粒子的質量和身份。這些探測器是專門為輕粒子（即原子序數低於 10 的粒子；例如，鈹的原子序數為 4）設計的，能量高達每核子 10 吉電子伏特 (GeV/n)——相當於一粒沙子從一釐米高度掉落所具有的能量。但對於一個在太空中飛馳的微小原子粒子來說，這是一個巨大的能量。在這些輕型高能粒子的通量上，相互競爭的模型存在預測差異。“當你走向更高能量時，測量變得越來越難，”樸說。這是一個數字遊戲：因為到達地球的高能粒子較少，所以確定它們的通量更難。而且因為它們的軌跡彎曲較小，所以確定它們的動量也更難。
為了獲得最大的彎曲力——從而提高動量解析度——HELIX 使用超導磁體。但這並非沒有缺點。超導性需要低溫；用樸的話說，超導磁體“喝液氦”。這使得它們對於需要補充液氦成本非常高昂或不可能的長期太空任務來說是不可行的——但這種方法對於持續數天或數週的氣球飛行非常有效，因為補給更容易。權衡之處在於，美國宇航局的阿爾法磁譜儀 (AMS-02) 等天基實驗提供了遠高於地球大氣層主體的更長觀測時間，而 HELIX 和其他氣球載平流層實驗的觀測視窗較短，它們的視野在一定程度上被我們星球阻擋宇宙射線的空氣所矇蔽。
為了尋求兩全其美，AMS-02 的最初計劃包括一塊超導磁體，但後來被一塊無需供電的永磁體取代——就像冰箱門磁鐵一樣。這種磁體可以實現更長的持續時間，但磁場要弱得多。“我們意識到，如果我們能找到一塊超導磁體，較弱的磁場為[鈹]提供了科學機會，”韋克利說。這一認識催生了 HELIX 的誕生。
HELIX 使用了氣球載高能反物質望遠鏡 (HEAT) 實驗在 2000 年攜帶的同一塊超導磁體。但相似之處僅止於此。有效載荷的每個其他元素都是全新的，並且是專門為 HELIX 設計的，這使得該實驗能夠逐個粒子地區分鈹同位素。“我們想說，‘這個粒子是[鈹 9]；那個粒子是[鈹 10]。’據我們所知，這是目前沒有人能做到的事情，”韋克利說。獲得 10Be 與 9Be 的比率可能對於闡明宇宙反物質的來源至關重要。
義大利格蘭薩索科學研究所的天體物理學家卡梅洛·埃沃利說，HELIX 的設計“獨特性使其與 AMS-02 等大型多用途實驗區分開來”。AMS-02 測量了跨能量譜的粒子通量，包括鈹的總量，精度很高。但它無法區分單個同位素：它們的質量太相似，AMS-02 硬體無法可靠地識別它們。然而，該實驗的悠久歷史在其他方面可能是有益的：“雖然 HELIX 的設計具有更好的質量解析度，但 AMS-02 已經收集了 12 年的資料，”AMS-02 的高階物理學家阿爾貝託·奧利瓦說。這個龐大的資料集應該允許使用統計工具區分同位素。但是，漢納說，“這與看到它們分離完全不同。這就像看兩顆模糊在一起的星星，而不是使用望遠鏡來顯示每一顆星星。”
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今年 1 月，HELIX 在位於德克薩斯州巴勒斯坦的美國宇航局哥倫比亞科學氣球設施通過了“懸掛測試”，證明它可以與美國宇航局的資料發射器、天線以及對任務至關重要的其他基礎設施進行通訊。它現在已準備好從瑞典基律納進行為期數週的發射視窗，該視窗將於 5 月 15 日開放。氣球將攜帶 HELIX 大約一週，然後降落在加拿大北部某處。該團隊將很高興帶回可以區分目標能量譜低端的同位素的乾淨資料。但諸如比預期更重的其他非鈹宇宙射線陣雨等不可預見的影響可能會損害測量結果。“沒有完全達到你想要的解析度會很痛苦，”韋克利說。
如果一切按計劃進行，下一步將是在南極洲上空進行為期兩週的飛行，以收集足夠的資料來測量能量為 3 GeV/n 的粒子。“你需要儘可能長時間地在高空，才能獲得足夠多的這些稀有粒子，”樸說。最終，透過升級後的儀器，為期 28 天的飛行可以測量高達 10 GeV/n 的鈹同位素。希望這將足以確定這些粒子穿過星系的關鍵傳輸時間，併為它們的起源提供線索。
我們很幸運擁有鈹。它的壽命非常適合探索本星系：如果它的壽命長 10 倍，它將適合探索更大的區域；如果它的壽命短 10 倍，它就會消失得太快而無法到達我們這裡。“HELIX 任務作為幫助闡明反物質和銀河系中所有宇宙射線行為之謎的關鍵角色而出現，”埃沃利說。實驗首次戰略性地準備好解決不同預測之間的差異，為深入瞭解支配宇宙射線在星系廣闊空間中傳輸的基本過程提供了前所未有的見解。
但就目前而言，“我們只是希望飛行順利，”韋克利說。