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2017-08-01李世昌院士：如果AMS偵側到碳的反物質，意味宇宙有反物質組成的反星球。
572 期
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林宮玄／任職於中研院物理所，兼任本刊副總編輯。陳其暐／嘗試在混亂的時代當一名稱職的觀察者，關注新媒體的同時，仍然熱愛雜誌與紙本。
1952年出生的李世昌博士，任職於中央研究院物理研究所，是國內著名粒子物理學家，2010年獲中研院院士頭銜。《科學月刊》2017年7月號刊載諾貝爾獎得主丁肇中專訪，關於丁院士所主持的跨國計劃──阿爾法磁譜儀（Alpha Magnetic Spectrometer, AMS）之太空計劃，我們透過與臺灣子計劃負責人李世昌院士的訪問，讓讀者進一步了解其科學上的重要性與臺灣團隊的貢獻。
《科學月刊》（以下簡稱科）：關於 AMS 計畫，因為在丁肇中院士專訪中時間緊湊，希望藉這個機會跟你討論多 一點關於這個計劃。就我所知，AMS計畫主要的目的是找反物質跟暗物質。可以用很淺顯的方式來解釋什麼是反物質嗎？
李世昌（以下簡稱李）：我們現在認為所有的物質都是從能量凝聚出來，但是能量凝聚成物質的時候，不會只凝聚成物質，一定也有一樣多的反物質，這兩個合在一起還要再變回能量。譬如有電子就一定有反電子，因為本來能量沒有什麼電荷的概念，一出現「荷」，譬如電荷，有負的就要有正的。我們現在的觀念裡，如果物質凝聚後有「荷」， 不管是電磁作用的荷、弱作用的荷，或是強作用的荷，那一定要有另外一個東西與它的荷相反，因為能量本來是沒有荷的。簡單來說，反物質的荷跟物質是相反的。
科：那暗物質指的是幾乎沒有辦法跟任何東西作用的物質嗎？
李：不是。從我們在天文的觀測裡時，我們看到星系，星系旁邊的恆星繞著星系轉的速度，照道理比較遠的恆星，因為受到引力較小，速度應該不一樣，應該越遠跑得越慢。但是觀測發現較遠的恆星速度並沒有變慢，表示可能存在有質量的東西沒看到，這只是很多證據中的一個。另一個證據是，利用光經過星系或星系群，估計它的能量與偏轉，結果發現光受到重力的偏轉量比看到的質量還多。所以有很多的證據顯示，看到的質量太少，應該還有暗的物質，這個都是從重力作用來的。那些看不到的物質是有重力作用的，但是它們本身是沒有電磁或其他的作用，所以不容易偵測到。宇宙裡面有一些物質，它是跟我們現在知道的一般物質一樣有重力的作用，但是可能沒有我們知道的電磁作用、弱作用或強作用。
目前沒有直接能夠觀測到暗物質的方式，但有間接觀測的方式。從宇宙跟天體的觀察，沒看到的質量如果是新的、穩定的基本粒子，那就是有新的東西， 所以有很多的方式去觀察。譬如AMS為什麼看暗物質？因為這個新的基本粒子雖然不跟一般的物質反應，但是它可能是自己的反粒子，沒有我們知道的荷如果是自己的反物質，就可以湮滅變成一般的物質，當然湮滅變成一般的物質就要有反物質。因為物質跟反物質要一起產生，所以就應該看到比較多的正電子（positron）或比較多的反質子，而AMS就用這個方法來蒐集資料。在宇宙中的正電子或者是反質子，是從物質、質子跟其他的質子或原子核碰撞產生。如果你知道宇宙中有多少質子、有多少原子核，應該產生多少反質子、反電子，這個有理論可以算。如果暗物質也會湮滅掉，就會產生比你預測更多的反質子或反電子，這是一個間接的信號，不是直接的信號。
我們在加速器也可以產生暗物質，但是暗物質經過偵測器偵測不出來，因為偵測器只能偵測有荷的東西。那我們該怎麼量測呢？譬如質子跟質子對撞，動量是變成零，所以在垂直面的總動量應該是零，水平面不一定是零。我讓兩個東西對撞，如果兩個動量都一樣，當然對撞以後，垂直方向也是零，所有的動量都是零。但是我們知道質子不是最基本的粒子，質子對撞是裡面的夸克在撞，但你並不知道兩個撞的夸克動量，只知道在垂直面是沒有動量的。如果觀測撞出來的粒子，在垂直面的動量加起來應該是零，即動量守恆。如果不是零，就是有一個東西跑掉沒有被觀測到，因此可用這個方法偵測微中子或是暗物質。如果用電子跟電子，或是電子跟反電子對撞，因為是基本粒子，所有的動量都要守恆，不只是垂直面，連水平方向也要守恆。【更多內容請閱讀科學月刊第572期】