GAPS光谱仪在南极启程：搜寻宇宙反物质与探索暗物质奥秘

2025年12月16日，一项重大的科学探索任务在南极的冰雪覆盖的广袤土地上拉开了帷幕。这项任务的核心是一个大型科学高空气球，其使命是搜寻宇宙中极其稀有的高能反物质原子核。这个名为“通用反粒子光谱仪”（GAPS）的探测器，是在美国国家科学基金会麦克默多站附近的罗斯冰架上发射的，作为美国国家航空航天局（NASA）年度长期高空气球发射活动的一部分。

GAPS任务旨在攀升至约120,000英尺（约合36公里）的工作高度。在这个高度，地球大气层变得极其稀薄，为精确捕捉和记录粒子提供了理想的环境。GAPS实验被专门调校，以期捕捉到反氘核。如果成功，这将成为暗物质具有粒子形态的第一个间接证据。据估计，暗物质构成了宇宙总质量的80%以上。此次发射于新西兰标准时间12月16日清晨5点30分顺利完成，标志着围绕南极大陆进行数周持续飞行的观测期正式开始。

GAPS探测器采用了一种开创性的反粒子识别技术。该技术依赖于形成一个奇异的原子，随后该原子衰变并释放出X射线，同时记录下由湮灭过程产生的特定介子-质子轨迹。与传统的磁谱仪实验不同，这种方法极大地提高了对低能反质子和反氘核等粒子的探测灵敏度，同时能有效抑制背景噪声的干扰。由于南极点附近地磁刚度截止值较低，这进一步增强了仪器对低能反氘核的探测能力，而许多暗物质理论恰恰预测这些粒子会在此能量范围内出现。

GAPS项目是国际合作的结晶。夏威夷大学马诺阿分校在项目开发中发挥了核心领导作用，并得到了包括哥伦比亚大学、加州大学洛杉矶分校、东北大学，以及来自日本、意大利和中国的合作伙伴机构的大力支持。项目负责人菲利普·冯·多廷海姆教授强调，这项实验将夏威夷置于解开现代物理学最宏大谜团的前沿阵地。该技术的概念验证工作早有部署，包括2005年在日本高能加速器研究机构（KEK）的加速器中进行测试，以及2012年6月对原型机（pGAPS）进行的飞行测试。

本次GAPS任务隶属于NASA一个更宏大的观测计划。同期发射的还有PUEO（超高能观测载荷），这是NASA“天体物理先驱者”计划中首个入选的项目，该计划旨在以更低的成本支持具有前瞻性的科学研究。虽然PUEO的重点在于探测中微子，但GAPS专注于反物质的搜寻，这共同展现了对宇宙进行多维度探索的决心。预计为期数周的数据收集工作将为暗物质模型提供前所未有的限制。GAPS的成果，要么带来首次明确探测到宇宙反氘核的里程碑，要么将排除掉一大批预测它们存在的理论模型，无疑是科学界翘首以盼的重大进展。