GAPS光譜儀升空南極 展開探尋反物質與暗物質的關鍵任務

一項攸關宇宙奧秘的科學探測任務，已於2025年12月16日從南極的冰封荒原啟動。這次任務是利用一個大型科學氣球，專門設計來捕捉宇宙中極為罕見的重型反物質原子核。這個儀器被命名為「通用反粒子光譜儀」（GAPS），是美國國家科學基金會（NSF）麥克默多站附近羅斯冰架上，NASA年度長期飛行氣球發射計畫的一部分。

GAPS的目標是攀升至海拔120,000英尺，這大約相當於地球表面上方36公里的高度。在這個稀薄的大氣層中，儀器能夠獲得探測粒子的最佳條件。GAPS實驗的設計核心在於偵測「反氘核」（antideuterons），因為它們被視為暗物質具有粒子特性的首個間接證據。科學界普遍估計，暗物質佔據了宇宙總質量的八成以上。這次成功發射發生在新西蘭標準時間12月16日上午5點30分，標誌著為期數週的觀測期正式展開，氣球將會繞行南極洲進行循環飛行。

GAPS採用了一種極具創新的反粒子識別技術。該技術依賴於形成一種奇特的「反物質原子」，隨後該原子會衰變並釋放出X射線，同時儀器會記錄下由湮滅反應產生的介子與質子的軌跡。與傳統的磁性光譜儀不同，這種獨特的偵測概念，使其能以極高的靈敏度捕捉到諸如反質子和反氘核這類低能量的反粒子，同時能有效抑制背景雜訊的干擾。此外，由於儀器位於南極上空，其地磁剛度截止值極低，這進一步增強了儀器對低能反氘核的探測能力，而這正是許多暗物質理論預測它們會出現的能量區間。

GAPS計畫是國際合作的結晶，由夏威夷大學馬諾阿分校（University of Hawaiʻi at Mānoa）主導開發，並匯集了哥倫比亞大學、加州大學洛杉磯分校（UCLA）以及東北大學等機構的力量，同時還有來自日本、義大利和中國的合作夥伴共同參與。計畫主持人菲利普·馮·多埃廷漢姆（Philip von Doetinchem）教授強調，這項實驗使夏威夷站在了解現代物理學最深層謎團的前沿。該技術的先期驗證工作包括2005年在日本高能加速器研究機構（KEK）的加速器中進行的概念驗證，以及2012年6月對原型機（pGAPS）進行的飛行測試。

此次GAPS任務，是NASA更宏大觀測計畫的一部分。同期發射的還有PUEO儀器（Payload for Ultrahigh Energy Observations），這是NASA「開拓者計畫」（Astrophysics Pioneers）中首個入選的項目，該計畫旨在以較低的成本支持具有前瞻性的科學研究。雖然PUEO的重點在於探測中微子，但GAPS則專注於反物質的搜捕，這體現了NASA對宇宙研究採取多管齊下的策略。預計為期數週的數據採集期，將為暗物質模型提供前所未有的限制。GAPS的最終成果，要麼將帶來首次明確的宇宙反氘核探測，要麼將排除掉一大批預測其產生的理論模型，無疑將在物理學界投下震撼彈。