圖片來源：國家中山科學研究院
撰稿 / 許芷辰（科推中心特約編輯）
審訂 / 楊毅 研究員（中央研究院物理所）
一顆反質子，從遙遠的宇宙一路飛向地球。在這段旅程中，它必須面對太陽風、太陽磁場，以及隨著太陽活動週期而改變的太陽系環境。
那麼，一顆宇宙反質子抵達地球時，我們看到的通量與能量分布，還保有進入太陽系前的「原本的樣貌」嗎？
由中研院物理所張元翰特聘研究員兼所長、楊毅研究員、林志勳博士、周欣毅博士合作的AMS Collaboration 論文，2025 年發表於《Physical Review Letters》，利用國際太空站上的阿爾法磁譜儀（Alpha Magnetic Spectrometer, AMS-02），分析跨越約一個11年太陽活動週期的觀測資料，讓研究者得以追蹤太陽活動改變時，宇宙粒子如何隨之變化。
反質子（antiproton）與反質子通量（flux）
反質子（antiproton）和質子（proton）互為一對反粒子（antiparticle）與粒子。當兩者相遇時，會發生湮滅（annihilation），轉化成其他粒子。目前主流觀點認為反質子大多屬於次級宇宙射線（secondary cosmic rays）。高能質子等宇宙線粒子在穿越星際介質（interstellar medium）時，會與其中的氫、氦等原子核發生高能碰撞，於是產生反質子，宇宙本身就像一座規模遠巨大的天然粒子加速器。
正因為反質子需要在這類高能碰撞中產生，相較於質子，它的通量（flux）低得多，而且主要的產生機制可以根據已知的粒子反應來計算，反質子反而成了一種敏感的探測工具。我們能根據已知的宇宙線碰撞過程，預測應該產生多少反質子，再和實際觀測到的反質子通量比較，兩者之間如果出現無法解釋的差異，可能代表我們對宇宙線傳播（cosmic-ray propagation）的理解還不完整，也可能暗示存在額外的反質子來源。除此之外，在更具假說與爭議的討論裡，「暗物質（dark matter）湮滅或衰變是否可能產生額外的反質子」也一直是研究的方向。然而，在比較反物質通量之前，還有一個容易被忽略的問題：
我們在地球附近測到的反質子，真的就是它在遙遠星際空間中原本的樣子嗎？
原本的樣貌 vs. 太陽的屏障
對於了解宇宙，真正有意義的是反質子進入日球層前、在太陽系附近星際空間中原本的通量與能量分布，文獻裡稱為「本地星際光譜」（local interstellar spectrum）。這個進入日球層前的「原本的樣貌」，並非反質子剛產生時的光譜，而是經歷銀河系傳播後、尚未受到太陽調節影響的光譜，才是回推反質子從何而來、宇宙射線如何在銀河系中傳播的關鍵依據。
然而在反質子抵達地球之前，它還得先穿過太陽系。太陽持續釋放太陽風（solar wind），並將太陽磁場帶向行星際空間，形成受太陽風與太陽磁場主導的巨大區域，也就是日球層（heliosphere）。宇宙線粒子進入這個區域後，可能被散射、減速，甚至因電荷不同而受到不同程度的影響。因此我們在地球附近測到的反質子未必就是它進入日球層前通量與能量分布的「原本的樣貌」。
這種由太陽環境造成的宇宙線變化，被稱為太陽調節（solar modulation），太陽的活動強度會隨著大約11年一次的週期起伏，而太陽風與磁場的變化，會直接影響帶電粒子能不能、以及用什麼樣的路徑進入太陽系內部。
連續11年不間斷觀測著反質子事件，這正是AMS-02所做的事！
AMS連續看了11年，宇宙研究中也看見了台灣的身影
AMS-02 是一台重達 7.5 公噸的宇宙線探測器，阿爾法磁譜儀（Alpha Magnetic Spectrometer, AMS-02），在國際太空站（ISS）上24 小時不停量測宇宙射線。AMS-02從2011年5月到2022年6月，連續11年蒐集了110萬顆反質子事例，涵蓋1到41.9 GV的剛度範圍，並以每27天一次的「巴特爾斯自轉週期」為單位，累積了139筆連續資料。
圖1 反質子通量在11年間隨時間與剛度變化的立體圖，可以看到通量在較低剛度隨太陽活動起伏最劇烈，在較高剛度則趨於平緩。
AMS-02 是一項高度國際合作的太空科學計畫，該計畫由中央研究院院士丁肇中於1994年提出構想，1995年計畫正式獲核准，國家中山科學研究院負責設計並製造AMS-02的核心電子系統，內含650個微處理器、30萬個訊號通道，升空至今已連續穩定運作15年。而AMS的地面監控並非單一國家獨力完成，位於CERN與台灣的AMS監控團隊，並與美國NASA相關任務控制團隊協作，共同維持全天候運作。
而在主要機體之外，台灣團隊也長期參與AMS的散熱系統研發，漢翔航空自2006年起參與AMS-02熱控系統的設計與製作，其後中研院物理所/成功大學楊毅教授團隊陸續與漢翔合作完成軌跡追蹤器外掛冷凝裝置與主散熱板升級計畫。從讓探測器的硬體撐過太空中的極端溫差，到參與資料分析、解讀探測器看到的粒子訊號，張所長與楊研究員的團隊工作橫跨了這條「硬體支撐資料、資料成就物理」的完整鏈條，而這正是這篇論文得以完成所需要的基礎。
反質子真的有不一樣嗎？
回到論文本身，根據AMS-02的數據，研究團隊比較了四種粒子：反質子（p̄）、質子（p）、電子（e⁻）、正子（e⁺）。質子和反質子質量相同、電荷相反，可以用來檢驗電荷正負對太陽調節的影響；反質子和電子則電荷相同、質量不同，可以用來檢驗質量的影響；質子和正子則作為另一組對照組。
圖2 反質子、質子、電子、正子四種粒子的11年平均通量對剛度作圖，可以看到反質子的能譜形狀明顯不同於其他三者。後三者隨剛度增加而遞減，反質子（p̄）卻是先升後降。
如果太陽的影響只是單純「強一點」或「弱一點」，那麼當太陽活動回到相似狀態時，粒子通量之間的關係也應該回到相近的位置。但AMS看到的並非如此，把反質子通量對質子通量作圖，同一個質子通量數值，在2014、2015年前後卻對應到兩條不同的反質子通量曲線，粒子行為出現了「歷史依賴」，也就是遲滯現象（hysteresis）。有趣的是，反質子和電子之間反而呈現出簡單的線性關係。
圖3 (a)反質子通量對質子通量作圖，呈現出以2014、2015年為界的兩條分支，即遲滯現象；(c)反質子與電子通量之間則呈現出單純的線性關係，形成對比。
更進一步的分析，研究團隊不再只比較電荷和質量，而是直接量化每種粒子的能譜長什麼樣子。具體做法是計算通量變化幅度 M（以平滑後的通量，計算11年間最大值與最小值的比值），以及能譜指數 γ（spectral index，數值越大，代表通量隨剛度上升得越快、或下降得越平緩）。把四種粒子在不同剛度區間的 M 和 γ 畫在同一張圖上，研究團隊發現：在相同剛度區間內，分別比較同為正電荷與同為負電荷的粒子，能譜指數 γ 較大者，通量的變化幅度 M 較小；兩組 M 對γ 的變化斜率，在誤差範圍內一致。
圖4 通量變化幅度M與能譜指數γ的關係。各剛度區間的虛線分別連結同電荷符號的粒子；正、負電荷兩組的斜率在誤差範圍內一致，呈現共同的規律。
看見粒子受太陽調節的濾鏡，也看見了台灣
回到最初的問題：要判斷反質子的通量有沒有出現「超出預期」的訊號，前提是得先拿到它的本地星際光譜。但要拿到這個這個進入日球層前的「原本的樣貌」，必須先釐清並適當處理太陽調節這層「濾鏡」的影響。這篇論文所建立的普適關係，正是理解這層濾鏡的重要基礎，它讓未來針對反質子起源、宇宙射線傳播，乃至於新物理搜尋的研究，都獲得了改進太陽調節描述的重要觀測依據。
一顆反質子從宇宙深處出發，一路上被太陽系的磁場與太陽風不斷影響，最終抵達國際太空站被AMS-02記錄下來。而在這台探測器背後，從1995年至今，一直有台灣的工程與研究團隊參與其中：從中科院打造的電子系統，到亞洲監控中心的日夜接力，再到張元翰特聘研究員、楊毅研究員與團隊持續投入的散熱系統與資料分析工作。
11年後，這110萬顆反質子留下的，不只是一堆數字，而是一張描繪太陽、宇宙射線與基本粒子如何彼此拉扯的「時間地圖」，也是台灣科學家與工程師與無數國際學者合作的故事。
參考文獻
[1] M. Aguilar, G. Ambrosi, H. Anderson, L. Arruda, N. Attig, C. Bagwell, F. Barao, et al. (AMS Collaboration) (2025). Antiprotons and elementary particles over a solar cycle. Physical Review Letters, 134(5), 051002. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.051002
【其他報導參考資料：AMS計畫背景】
〈AMS Operations〉。AMS官網
https://ams02.web.cern.ch/operations/ams-operations?utm_source=copilot.com
〈AMS-02國立成功大學〉。AMS官網
https://www.ams02.space/collaboration/institute/ncku-national-cheng-kung-university?utm_source=chatgpt.com
〈從J粒子到宇宙射線：丁肇中的實驗物理之旅〉。研之有物，中央研究院，2025年。
https://research.sinica.edu.tw/samuel-c-c-ting-alpha-magnetic-spectrometer-experimental-physics/
〈開箱老照片》丁肇中助台灣科技進入太空時代〉。中央社，2026年3月31日。
https://www.cna.com.tw/news/ahel/202603315003.aspx?topic=4178
〈AMS-02計畫〉。國家太空中心（TASA）。
https://www.tasa.org.tw/history_prog.php?c=20021807&ln=zh_TW
〈AMS關於正反電子的最新測量結果〉。台大科學教育發展中心，2018年7月28日。
https://case.ntu.edu.tw/blog/?p=26825
標籤：太空磁譜儀。奮起。（「AMS的大腦」電子系統描述）
https://rise-tw.org/tag/%E5%A4%AA%E7%A9%BA%E7%A3%81%E8%AD%9C%E5%84%80/
〈漢翔(2634)與成大簽約合作AMS-02新散熱器研發計畫〉。中央大學新聞網轉載，2022年3月31日。
https://ncusec.ncu.edu.tw/news/press_content.php?P_ID=36386
〈成大攜手漢翔開拓臺灣太空產業 進階挑戰太空任務關鍵技術〉。國立成功大學官網，2022年3月28日。
https://web.ncku.edu.tw/p/404-1000-236468.php?Lang=zh-tw
〈漢翔航空工業股份有限公司〉。漢翔官網新聞。
https://www.aidc.com.tw/tw/News/483
