现如今的宇宙中反物质的比例很低。根据我们现在的知识，所有从大爆炸中产生的反物质已经在很久很久以前就和正物质粒子湮灭而消耗殆尽了。这意味着在近地球所观察到的反物质都是在银河系中新的反物质源中产生的。（银河系外的反物质源也是可以讨论的对象，但是在几率上说，他们产生的反物质不大可能到达地球。）因为从外太空降临到近地球的高能反物质很有限，反物质粒子就扮演了很特别的角色，它可以传递宇宙高能现象的信息，也可以成为新物理的一种信号。
现在，科学家们热切投入的正电子宇宙射线研究已经有了结果，其工作被AMS的合作小组发表在物理学评论快报（Physical Review Letters）上，AMS是一个运行在国际空间站上的粒子探测器[1]。作为AMS首个科学研究报告——在此之前，这一实验已经进行了18年，在2011年5月开始真正收到数据——合作小组展示了对“正电子分数”的测量工作，所谓的正电子分数，就是探测到的正电子的数目和电子、正电子数目之和的比值，探测的能量区间在0.5到350 GeV（如图1）。AMS测量了400,000例正电子信号，这是世界上最大的正电子宇宙射线样本，一下将世界上的样本数量提高了一百倍。另外，这一工作将正电子分数的数据扩展到了数百GeV，这一记录已经超过了之前在高纬度热气球上[2]和空间站及卫星上的探测记录[3]。而在AMS上的工作价值在于以前所未有的详细统计对之前来自于卫星实验的结果进行了强有力的验证，科学家们之前在卫星实验上已经发现了过量的正电子信号，其数量超过我们对银河系的预期。在这一现象之中隐藏着一个诱人的可能性——这也是最近被报道的最多的——那就是过量的正电子信号可能是暗物质的一种标志，当然现在就将其他相对平凡的可能性排除还为时过早。
反物质是宇宙射线与宇宙中稀薄的星际气体之间核相互作用的副产品。例如，当一束高能质子射线——有可能是从超新星遗骸中产生的——与星际间的一个氢原子发生碰撞，其相互作用就能产生π介子(pions)。这些粒子会衰变成μ子(muons)，最终再衰变成相等数量的电子和正电子。最终到达地球的粒子束流将由主要的电子和次要的电子和正电子构成，其中主要部分的电子由宇宙放射源直接放出，而次要部分的电子和正电子由射线与星际间气体的相互作用产生(如图2.)。根据星系粒子间相互作用与输运过程的理论模型[4]，粒子天体物理学家预言在地球周围的正电子分数会在能量高于1GeV时单调下降(见图1的灰色部分)。
大概在20年前，科学家们通过高空热气球搭载的光谱分析仪已经从很大程度上验证了这一理论图景[2]. 但是当时的工作结果也暗示了一部分差异，当能量达到10GeV甚至更高的时候，正电子分数要高于预期，这可能暗示着有其他的反物质源在起作用。随后，基于星载平台的实验开始运行，用以测量这一正电子分数数值上升的情况，例如AMS-01（是现在AMS的原型机），PAMELA，以及Fermi-LAT，星载平台实验较之前有更好的统计意义和更宽的能量探测范围[3].
对于10GeV下发现大量正电子的问题，理论学家从来没闲着，有大量相关的假设出现。其中一个想法是，离地球相对较近的一些天体如脉冲星，充当了能产生反物质的碰撞过程的加速器[5]，如同我们地球上的大型强子对撞机（LHC）一样。然而更激动人心的可能性是这些正电子来自于反物质粒子的湮灭，这些反物质粒子可能就存在于我们的银河系以及其光晕当中[6]。毕竟，根据现在的观察，暗物质是我们这个宇宙中物质和能量最主要的存在形式，但是我们对暗物质粒子的性质或这些粒子如何与自己以及普通粒子发生作用都不甚了解（除了引力相互作用）。毫不夸张的说，认识暗物质是现代科学中最大的问题之一。
这也难怪粒子天体物理学家们都在热切期盼着来自PAMELA和Fermi-LAT的正电子分数结果。AMS是人类在太空中最精密的粒子物理实验仪器。它包括一连串用来探测粒子与反粒子质量、电荷以及能量的高精度探测器，粒子会被内置在仪器内部的永磁体的磁场偏折，这使得AMS在跟踪粒子行踪方面见长，而这一能力是Fermi-LAT所不具备的，这也是为什么在其得到的正电子谱中会有很多不确定的结果。所有这些探测器所面临的挑战在于怎样高精度的识别高能正电子，因为在这种情况下信号的本底会非常杂乱。一个100GeV的正电子在很多方面与一个在100GeV的质子很相似，但是质子的数量要比正电子高大约三个数量级，这个问题会随着能量的升高变得更加严重。
AMS最新的观测结果与PAMELA所观测的结果能够很好的吻合，所以我们能够更加确信正电子分数随着能量的增加而增大的趋势，不过这次的结果统计效果更好，也有本底的控制。尽管在2GeV的情况下AMS和PAMELA的结果有明显的差异，不过不必担忧，粒子需要逆着太阳风游动到地球附近，这个所谓的“太阳调制”效应可能导致两组仪器之间的测量差异。这个在几个GeV的能量下就变得可以忽略了。
迄今为止，如此多的实验都指向过量的反物质，所以我们自然要问这样一个问题：这过量的反物质从何而来呢？想要弄清楚这个问题恐怕要花些时间。现存的诸多版本的理论解释都存在很多不确定的东西，在以后的工作中可能要不停地随着正电子谱的各种细节的更新而进行修正。我们可以期盼脉冲星磁极附近的伽马射线转变为正负电子对[7]；也可以想象射性同位素衰变在超新星遗骸中产生衰变而形成了正电子[8]。同时也存这样一个激动人心的可能性，在上述所有的试验仪器与实验中，科学家们有可能已经观测到了来自暗物质粒子在银河系光晕中湮灭的确凿证据[6]。尽管这些物理图景当中都还有很多无法完满解释的问题，比如粒子怎么样穿过银河系而到达地球，暗物质粒子的质量以及相互作用的几率是怎样的，但这些想法都很具有吸引力，使得科学家们对其进行积极活跃的思索探究。
我们怎么分辨究竟是哪种效应在起作用呢？AMS小组在他们的第一个报告中也没有进行相关的推测。毫无疑问，在AMS的实验结果出来以后会有很多想法产生，都试图将AMS的结果往某些理论模型上靠拢，而其他实验也会给出相应的约束条件以供调整[9,10,11]。但也许决定性的答案也会随后降临。首先，新的AMS数据显示其对于正电子谱的曲率和性质有极高的敏感度。迄今为止我们已经发现正电子分数在100GeV附近有一个比较显著的斜率变化需要解释。另外一方面，AMS的设计寿命为10年（或许能够更长），而AMS刚刚投入工作两年。在后面的工作中，AMS还会测量在更高能量条件下的正电子分数，以及正电子和电子的绝对能谱。但是我们大概要付诸更多的耐心：因为正电子束流在能量升高的情况下会强度会显著的降低，想要搜集足够多的200GeV左右的正电子信号会是一个非常漫长的过程。同时，AMS也会给出其他一些有意义的数据。总而言之，AMS的相关实验现在正处在一个非常关键的位置上，在探究反质子，宇宙核射线甚至于寻找反核上都会发挥更大的作用。
高能宇宙射线下的正电子分数。来自AMS的最新结果将能量的区域进一步扩展了，与之前来自PAMELA和Fermi-LAT（或者更久之前的热气球实验）的结果比起来更准确。AMS的实验对高能区域的正电子分数预言是一次有力的验证，在某些能量值之上，理论预言正电子分数的提高是由宇宙射线相互作用引起的。（灰色的带状区域表明了理论预言的正电子分数区域[4]。）
地球附近的高能粒子束可能来自于很多地方。“主要”的部分（绿色）直接来自于宇宙射线（典型的源头就是超新星遗骸）。“次要”的部分（黄色）来自于宇宙射线与星际间稀薄气体的碰撞，产生π子和μ子，进而衰变为电子和正电子。第三个可能的来源是暗物质的湮灭过程（紫色）产生的电子与正电子，如图中显示的，在银河系和其光晕当中发生。需要说明的是：为了说明方便，这里采用的背景照片是仙女座星系，一个典型的螺旋星系，与我们所在的银河系大致相同。
现在，科学家们热切投入的正电子宇宙射线研究已经有了结果，其工作被AMS的合作小组发表在物理学评论快报（Physical Review Letters）上，AMS是一个运行在国际空间站上的粒子探测器[1]。作为AMS首个科学研究报告——在此之前，这一实验已经进行了18年，在2011年5月开始真正收到数据——合作小组展示了对“正电子分数”的测量工作，所谓的正电子分数，就是探测到的正电子的数目和电子、正电子数目之和的比值，探测的能量区间在0.5到350 GeV（如图1）。AMS测量了400,000例正电子信号，这是世界上最大的正电子宇宙射线样本，一下将世界上的样本数量提高了一百倍。另外，这一工作将正电子分数的数据扩展到了数百GeV，这一记录已经超过了之前在高纬度热气球上[2]和空间站及卫星上的探测记录[3]。而在AMS上的工作价值在于以前所未有的详细统计对之前来自于卫星实验的结果进行了强有力的验证，科学家们之前在卫星实验上已经发现了过量的正电子信号，其数量超过我们对银河系的预期。在这一现象之中隐藏着一个诱人的可能性——这也是最近被报道的最多的——那就是过量的正电子信号可能是暗物质的一种标志，当然现在就将其他相对平凡的可能性排除还为时过早。
反物质是宇宙射线与宇宙中稀薄的星际气体之间核相互作用的副产品。例如，当一束高能质子射线——有可能是从超新星遗骸中产生的——与星际间的一个氢原子发生碰撞，其相互作用就能产生π介子(pions)。这些粒子会衰变成μ子(muons)，最终再衰变成相等数量的电子和正电子。最终到达地球的粒子束流将由主要的电子和次要的电子和正电子构成，其中主要部分的电子由宇宙放射源直接放出，而次要部分的电子和正电子由射线与星际间气体的相互作用产生(如图2.)。根据星系粒子间相互作用与输运过程的理论模型[4]，粒子天体物理学家预言在地球周围的正电子分数会在能量高于1GeV时单调下降(见图1的灰色部分)。
大概在20年前，科学家们通过高空热气球搭载的光谱分析仪已经从很大程度上验证了这一理论图景[2]. 但是当时的工作结果也暗示了一部分差异，当能量达到10GeV甚至更高的时候，正电子分数要高于预期，这可能暗示着有其他的反物质源在起作用。随后，基于星载平台的实验开始运行，用以测量这一正电子分数数值上升的情况，例如AMS-01（是现在AMS的原型机），PAMELA，以及Fermi-LAT，星载平台实验较之前有更好的统计意义和更宽的能量探测范围[3].
对于10GeV下发现大量正电子的问题，理论学家从来没闲着，有大量相关的假设出现。其中一个想法是，离地球相对较近的一些天体如脉冲星，充当了能产生反物质的碰撞过程的加速器[5]，如同我们地球上的大型强子对撞机（LHC）一样。然而更激动人心的可能性是这些正电子来自于反物质粒子的湮灭，这些反物质粒子可能就存在于我们的银河系以及其光晕当中[6]。毕竟，根据现在的观察，暗物质是我们这个宇宙中物质和能量最主要的存在形式，但是我们对暗物质粒子的性质或这些粒子如何与自己以及普通粒子发生作用都不甚了解（除了引力相互作用）。毫不夸张的说，认识暗物质是现代科学中最大的问题之一。
这也难怪粒子天体物理学家们都在热切期盼着来自PAMELA和Fermi-LAT的正电子分数结果。AMS是人类在太空中最精密的粒子物理实验仪器。它包括一连串用来探测粒子与反粒子质量、电荷以及能量的高精度探测器，粒子会被内置在仪器内部的永磁体的磁场偏折，这使得AMS在跟踪粒子行踪方面见长，而这一能力是Fermi-LAT所不具备的，这也是为什么在其得到的正电子谱中会有很多不确定的结果。所有这些探测器所面临的挑战在于怎样高精度的识别高能正电子，因为在这种情况下信号的本底会非常杂乱。一个100GeV的正电子在很多方面与一个在100GeV的质子很相似，但是质子的数量要比正电子高大约三个数量级，这个问题会随着能量的升高变得更加严重。
AMS最新的观测结果与PAMELA所观测的结果能够很好的吻合，所以我们能够更加确信正电子分数随着能量的增加而增大的趋势，不过这次的结果统计效果更好，也有本底的控制。尽管在2GeV的情况下AMS和PAMELA的结果有明显的差异，不过不必担忧，粒子需要逆着太阳风游动到地球附近，这个所谓的“太阳调制”效应可能导致两组仪器之间的测量差异。这个在几个GeV的能量下就变得可以忽略了。
迄今为止，如此多的实验都指向过量的反物质，所以我们自然要问这样一个问题：这过量的反物质从何而来呢？想要弄清楚这个问题恐怕要花些时间。现存的诸多版本的理论解释都存在很多不确定的东西，在以后的工作中可能要不停地随着正电子谱的各种细节的更新而进行修正。我们可以期盼脉冲星磁极附近的伽马射线转变为正负电子对[7]；也可以想象射性同位素衰变在超新星遗骸中产生衰变而形成了正电子[8]。同时也存这样一个激动人心的可能性，在上述所有的试验仪器与实验中，科学家们有可能已经观测到了来自暗物质粒子在银河系光晕中湮灭的确凿证据[6]。尽管这些物理图景当中都还有很多无法完满解释的问题，比如粒子怎么样穿过银河系而到达地球，暗物质粒子的质量以及相互作用的几率是怎样的，但这些想法都很具有吸引力，使得科学家们对其进行积极活跃的思索探究。
我们怎么分辨究竟是哪种效应在起作用呢？AMS小组在他们的第一个报告中也没有进行相关的推测。毫无疑问，在AMS的实验结果出来以后会有很多想法产生，都试图将AMS的结果往某些理论模型上靠拢，而其他实验也会给出相应的约束条件以供调整[9,10,11]。但也许决定性的答案也会随后降临。首先，新的AMS数据显示其对于正电子谱的曲率和性质有极高的敏感度。迄今为止我们已经发现正电子分数在100GeV附近有一个比较显著的斜率变化需要解释。另外一方面，AMS的设计寿命为10年（或许能够更长），而AMS刚刚投入工作两年。在后面的工作中，AMS还会测量在更高能量条件下的正电子分数，以及正电子和电子的绝对能谱。但是我们大概要付诸更多的耐心：因为正电子束流在能量升高的情况下会强度会显著的降低，想要搜集足够多的200GeV左右的正电子信号会是一个非常漫长的过程。同时，AMS也会给出其他一些有意义的数据。总而言之，AMS的相关实验现在正处在一个非常关键的位置上，在探究反质子，宇宙核射线甚至于寻找反核上都会发挥更大的作用。
高能宇宙射线下的正电子分数。来自AMS的最新结果将能量的区域进一步扩展了，与之前来自PAMELA和Fermi-LAT（或者更久之前的热气球实验）的结果比起来更准确。AMS的实验对高能区域的正电子分数预言是一次有力的验证，在某些能量值之上，理论预言正电子分数的提高是由宇宙射线相互作用引起的。（灰色的带状区域表明了理论预言的正电子分数区域[4]。）
地球附近的高能粒子束可能来自于很多地方。“主要”的部分（绿色）直接来自于宇宙射线（典型的源头就是超新星遗骸）。“次要”的部分（黄色）来自于宇宙射线与星际间稀薄气体的碰撞，产生π子和μ子，进而衰变为电子和正电子。第三个可能的来源是暗物质的湮灭过程（紫色）产生的电子与正电子，如图中显示的，在银河系和其光晕当中发生。需要说明的是：为了说明方便，这里采用的背景照片是仙女座星系，一个典型的螺旋星系，与我们所在的银河系大致相同。
