1984年夏天，迈克尔·萨拉蒙和史蒂夫·艾伦以老式、低预算的方式在宇宙中寻找反物质。萨拉蒙当时在加州大学伯克利分校，艾伦则在印第安纳大学，他们从之前的一个实验中挪用了一些闲置资金，用于连接一个反物质探测器——一个超导磁铁和一些精密的电子设备。他们将这个装置固定在一个从高空气球上悬挂下来的架子状结构上。气球能够升到13万英尺高空，在那里它将位于大部分大气层之上，可以不受阻碍地捕捉到持续从天而降的宇宙射线。经过几年建造探测器，然后一个月每天18小时准备设备执行任务后，萨拉蒙和艾伦于1987年8月13日从萨斯喀彻温省的阿尔伯特亲王城发射了气球。它升到了平流层上方的天堂高度，平静地漂浮了12小时，然后，像一只垂死的鸭子一样，坠落在加拿大的荒野中。
“当我们最终找到它时，”萨拉蒙说，“花了好长时间才把它弄出来。我们不得不推平一些森林，以便直升机能够进入并运走有效载荷。但直升机无法把它吊起来，因为有效载荷刺穿了它撞倒的树干。我们不得不拆卸支撑结构。” 萨拉蒙和艾伦随后花了三个月时间分析数据，无论如何，结果都是空的。他们没有检测到宇宙反物质的任何迹象。这并不意味着它不存在，只是他们的实验不够灵敏，无法找到它。
当萨拉蒙和艾伦在萨斯喀彻温省北部辛苦工作时，丁肇中正在瑞士，在欧洲核子研究组织（一个以其法语缩写CERN闻名的实验室）建立世界上最大的实验物理合作项目——一个耗资3.5亿美元，由600名物理学家组成的L-3实验，旨在研究基本粒子的碰撞。丁肇中于1976年分享了诺贝尔奖，被描述为高能物理界的乔治·巴顿，他是一位完美的实验家。但他在1987年组建的实验代表了他职业生涯的尾声，这一职业生涯正慢慢被世界上最昂贵的纯知识追求中复杂的政治所耗尽。到1993年，丁肇中在退休前会寻找一种方法来做“一个更有趣的实验”，正如他所说。
因此，一位最著名的大科学实践者与几位老道的低预算天体物理学家合作，去寻找反物质。现在，丁肇中、艾伦、萨拉蒙和几十位合作者已经说服美国宇航局进行有史以来最彻底的反物质搜索。这项耗资2000万美元的实验将于1998年4月首先在航天飞机上飞行，然后从2001年开始在国际空间站阿尔法号上飞行三年。它应该一劳永逸地确定宇宙中是否有一半是由反物质构成的，或者说，我们所构成的物质是否是全部。
寻找反物质与暗物质悖论无关，暗物质大约占宇宙的80%，它显然存在但却不发射可见光，因此无法被看见。丁肇中和他的合作者更关心的是宇宙中完全不存在的50%——那应该由反物质构成的一半。量子力学规定物质可以从纯能量中产生，基本粒子可以从真空中突然出现，前提是它们以某种方式使得各种基本量（如电荷和动量）守恒。这在大爆炸期间大规模发生，当时宇宙开始，此后一直以小得多规模发生着。
任何时候，当一个粒子凭空产生时，宇宙会同时喷射出它的反粒子，它具有相同的质量和其他特性，但电荷相反，并以相同的速度向完全相反的方向移动。因此，质子与反质子一起产生；电子与反电子（被称为正电子）一起产生。“关键是，”艾伦说，“你不能在不制造反质子的情况下制造一个质子。这条定律从未被发现违反。那么，如果存在大爆炸，我们怎么可能拥有一个没有等量反物质和物质的宇宙呢？”
然而，如果反物质与物质一起产生，却没有它的迹象。假设反物质存在，人们会期望偶然的碰撞至少偶尔会使其与物质接触，导致两者湮灭并爆发伽马射线——能量极高的光子，构成光的能量包。这是另一个基本定律。如果物质和反物质可以由纯能量产生，那么将两者再次结合将产生纯能量。因此，如果反物质存在于宇宙的任何地方，其存在的确切迹象将是其湮灭产生的伽马射线。
“地球上肯定没有反物质，”艾伦说，“太阳系中也没有。太阳风中也没有，因为如果它与地球不同，我们就会被湮灭产生的伽马射线烘烤。如果火星或木星是反物质，我们会看到伽马射线。” 利用类似的逻辑，天体物理学家可以毫无疑问地确定，我们的星系、我们的星系团，以及包括至少我们的星系超星系团——跨越约1亿光年——都是由物质而非其他任何东西组成的。
但接着就变得模糊了。宇宙是个广阔的地方，由大约200万个星系超星系团组成，而我们唯一确定是由物质组成的，就是我们自己的。至于其余的，那仍然是一个悬而未决的问题。因为反物质发出的光与物质发出的光没有区别——或者更确切地说，光子的反粒子仍然是光子——区分反物质星系和物质星系的唯一方法是物理检查来自该星系的物质样本。这听起来并不像听起来那么疯狂。宇宙中充满了宇宙射线——从恒星中喷射出来的原子和原子碎片，或者是超新星的残余物以及其他零碎的恒星碎屑。这些宇宙射线可以逃离它们自己的星系，甚至可能漫游出它们的超星系团，并找到通往地球的道路。在日复一日轰击地球的所有宇宙射线中，天体物理学家假设一小部分可能已经旅行了超过1亿光年才到达这里。而那些甚至可能由反物质组成，证明它们来自的星系也是由反物质组成的。
多年来，一些物理学家一直在寻找这种反宇宙射线。其中著名的是诺贝尔奖获得者路易斯·阿尔瓦雷斯，他在1960年代和1970年代用高空气球携带反物质探测器。这些搜索发现了一些反质子，但仅此而已。然而，反质子对缺失的反物质几乎没有说明。确实，它们可能是反氢的原子核，但反质子也可以在常规宇宙射线与星际介质中的尘埃和碎片碰撞时产生。更重的原子核，如反碳或反氧的原子核，只能由反恒星产生，因此必须是反星系存在的证据。但在阿尔瓦雷斯和他的合作者收集的4万个宇宙射线中，没有发现这些反原子核的迹象。
然而，自从阿尔瓦雷斯上次寻找反物质以来，已经收集到一些新知识，使得反物质的问题悬而未决。最近的计算表明，在所有撞击地球大气层的宇宙射线中，每10万个甚至每100万个中，可能只有一个来自银河系之外。在这种情况下，阿尔瓦雷斯的所有4万个宇宙射线可能都起源于我们自己的银河系。如果阿尔瓦雷斯从未看到来自银河系之外的宇宙射线，那么就没有证据表明宇宙中没有它应得的河外反物质。外面可能仍然有反超星系团，充满了反星系，由反恒星的光照亮。
但话又说回来，也许没有。艾伦说，理论家们会告诉你，反物质是世界上最荒谬的东西，因为大家都知道没有。理论家们会说，考虑到迄今为止还没有看到反物质，它存在于那里的想法要么是不可能的，要么几乎是不可能的。他们无法想象一个场景能解释反物质如何在大尺度上（例如超星系团和反超星系团）与物质分离，而在小尺度上（例如星系团和反星系团，或者星系和反星系）却不能分离。
根据理论家们能够想象的场景，宇宙起源于一次宇宙波动，其中纯能量凝结成物质。大约在时间零点后的10^-34秒左右，一个由基本粒子和反粒子组成的“汤”从这个能量充沛的虚空中凝结出来，就像水滴在温度下降时从潮湿的空气中凝结出来一样。这些粒子和反粒子随后开始湮灭，根据理论，直到只剩下十亿分之一，而这恰好是物质而不是反物质。
也许宇宙始于这种十亿分之一的物质过剩，而激烈湮灭后剩下的就是我们的宇宙；在这种情况下，世界在年轻时就违反了一些量子定律。或许，正如伟大的俄罗斯物理学家安德烈·萨哈罗夫在1967年提出的那样，物理定律失衡，由于某种原因，略微偏向物质的存在而非反物质。这种缺乏对称性，被称为CP破坏，表明粒子和反粒子可以以不同的方式衰变。但是，CP破坏（已在实验室中测量）似乎不足以解释反物质悖论。芝加哥大学的宇宙学家戴维·施拉姆这样描述这种情况：“大多数理论家的直觉是那里没有反物质。这意味着如果你找到了它，那将是一个伟大的发现，并证明所有这些理论家都是错的。但最有可能的是，你不会找到它。”
正如丁肇中喜欢指出的那样，处理这种情况有两种方法。丁肇中将实验物理学家分为两种：一种是让理论家告诉他们该做什么的，另一种是追随自己内心冲动的。“我属于第二种，”他说，“我乐意和理论家共进中餐，但花一辈子时间做他们告诉你的事情就是浪费时间。”
丁肇中于1936年出生于密歇根州安阿伯市，当时他的父母都是教授，在那里进行短暂访问。几个月后，他们带他回中国，他待了20年。之后他去了密歇根大学攻读数学和物理学学位。
丁肇中在1976年因发现一种他命名为J粒子的粒子而获得诺贝尔奖（其他物理学家喜欢指出J形似汉字“丁”，因此丁肇中相当不谦虚地以自己的名字命名了该粒子）。他在长岛布鲁克海文国家实验室的一个实验中发现了这个粒子，此前另有两个实验室拒绝了这个实验——其中一个实验室是因为理论家们说丁肇中永远不会发现任何东西。
起初，丁肇中不敢相信自己真的发现了，所以他拒绝公布自己的发现一个多月，在此期间他让合作者重新分析数据并收集更多数据。他之所以公布，是因为斯坦福直线加速器中心（SLAC）的物理学家也发现了相同粒子的证据，他们将其命名为psi粒子；两个团队于1974年11月11日同时宣布了这一发现。由于他对自己的数据缺乏信心——这通常是一位科学家可贵的品质——丁肇中最终与SLAC主任伯顿·里希特分享了诺贝尔奖，该粒子现在被称为J/psi，除了丁肇中和他的合作者仍称其为J，以及里希特和他的合作者称其为psi/J。
自那以后，丁肇中在物理学界的影响力随着仪器规模和成本的增长而扩大。例如，他耗资3.5亿美元的L-3实验利用了欧洲核子研究中心的大型电子正电子对撞机，这台机器周长16英里，耗资约10亿美元。当美国物理学家说服华盛顿拨款50亿美元（后来增至100亿美元）建造54英里长的超导超对撞机（SSC）时，丁肇中提出了一个耗资8亿美元、需要1000名物理学家参与的实验。它是SSC的一个突出且有争议的候选项目，但最终被否决，转而支持一项美国合作项目，讨论此决定的物理学家们往往会提及他们世界中的政治。
到1993年秋天国会取消SSC项目时，丁肇中这样的人物能够领导的实验项目减少到两个，两者都位于欧洲核子研究组织（CERN）计划中的大型强子对撞机。丁肇中没有参与其中任何一个。他说他意识到，等到那个对撞机建成时，他可能已经退休很久了。他准备做一些完全不同的事情。而且，他对这个过程也感到失望。“这已经变成了一个非常政治化的过程，”他解释道，“因为实验非常庞大，需要成千上万的人，如果你参与其中，你就必须政治化。但你没必要参与。”
国会埋葬SSC项目一个月后，丁肇中打电话给史蒂夫·艾伦，后者已转到波士顿大学。艾伦曾与丁肇中合作过SSC提案，现在丁肇中说他想知道艾伦所知道的一切天体物理学知识。接下来的两个月是丁肇中、艾伦、萨拉蒙（已转到犹他大学）和另外四位物理学家——苏黎世瑞士联邦理工学院的汉斯·霍弗，欧洲核子研究组织的尤里·加拉克季奥诺夫和乌尔里希·贝克（这三位都是丁肇中长期的合作者），以及欧洲核子研究组织和波士顿大学兼职理论家阿尔瓦罗·德·鲁胡拉——的密集头脑风暴会议。正如丁肇中回忆，他们很快将可能的实验范围缩小到两个：要么在西藏喜马拉雅山脉高处建造一个巨大的反射镜来研究宇宙伽马射线，要么将一个设备送入轨道，观察数十亿而不是数万个宇宙射线，并寻找可能来自遥远超星系团并由反物质构成的那少数几个。
丁肇中认为从太空寻找反物质是更好的选择，仅仅因为它从未做过。“丁肇中的伟大之处在于，”艾伦说，“他遵循一般原则：有没有令人信服的论据说明没有反物质？没有。有没有人以你所需的灵敏度寻找过反物质？没有。那么你就寻找反物质。就这么简单。你不需要大量的复杂计算来证明寻找它的合理性。”丁肇中的标准台词是“我们正在探索未知”。或者正如丁肇中自己所说：“我只是觉得，作为一名实验家，你真的应该测量这个。”
这样一个实验需要做阿尔瓦雷斯（1988年去世）在他生命最后20年一直倡导的事情：将一个强大的磁铁送入太空。任何带电粒子穿过磁铁都会受到磁场的影响而弯曲。由物质组成的宇宙射线会朝一个方向弯曲，而由反物质组成的宇宙射线会朝另一个方向弯曲。由于粒子移动速度快，并且它们必须在几英尺的距离内明显弯曲，这项工作需要一个非常强的磁场。阿尔瓦雷斯和他的同事们曾提出过许多将超导磁铁送入太空的实验。当时，超导技术似乎是获得既强大又足够小的磁铁的唯一方法。
但是超导磁铁带来了各种技术复杂性，这些复杂性转化成了高昂的成本。例如，磁铁必须冷却到接近绝对零度并保持恒温。这需要复杂的制冷设备，在太空中尤其成问题，因为设备绕地球运行时会交替地在阳光下烘烤和在阴影中结冰。将超导磁铁送入太空的估计成本在1.5亿美元到3亿美元之间。虽然这与高能物理实验的成本相当，但对于大多数人认为会一无所获的实验来说，这笔钱是相当大的。
然而，1994年3月，丁肇中访问中国时，他偶然拜访了中国科学院电工研究所。“我发现，”他说，“他们一直在用一种新型材料——钕硼铁——制造非常精确的永磁体，而且我了解到世界上90%的钕都在中国生产，他们可以生产出高质量、高磁场的磁铁。我与他们谈得越多，就越相信这将是制造廉价磁铁并在太空进行实验的好方法。”
因此，丁肇中说，中国物理学家和工程师同意以约60万美元的价格建造他的磁铁——这只占市场成本的一小部分。此外，在太空中飞行永磁体，其难度相当于在太空中飞行厨房磁铁——它只需要固定在航天飞机或空间站的表面。“你不需要担心电源，”丁肇中说，“也不需要制冷，你也不需要担心如何修复它，因为它不会坏。”
然而，磁铁只是实验的一部分。物理学家们必须在磁铁内部放置某种基本粒子探测器，它能够观察数十亿个宇宙射线，并注意到是否有少数是反物质，而不会出错。换句话说，萨拉蒙说，你需要一个足够大的仪器来探测十亿个宇宙射线核，但即使这样，如果你的仪器出错，每千分之一的核，甚至每百万分之一或每亿分之一的核，都被错误地识别为反核，那也不会有什么帮助。
幸运的是，丁肇中在粒子识别方面经验丰富。例如，丁肇中在欧洲核子研究组织的实验，观察了数十亿次电子和正电子之间的碰撞，然后必须仔细筛选残余物并精确识别每个产生的粒子。为此，它使用了由佩鲁贾大学和意大利国家核物理研究所的罗伯托·巴蒂斯顿及其合作者为L-3设计的硅传感器。丁肇中和他的合作者决定将类似的技术应用于他们的永磁体内部。
“把磁铁想象成一个垂直的圆柱体，直径约一码，高度略低于一码，”日内瓦大学的莫里斯·布尔昆解释道，他的团队设计了反物质探测器。“顶部和底部是两对由闪烁体这种塑料材料制成的平面，它们将测量进入磁铁空心核心的任何粒子的电荷，尽管它们不会告诉我们该电荷是正还是负。闪烁体平面还将测量每个粒子的速度和能量。”
六层硅传感器水平穿过磁铁的核心。当带电粒子穿过硅时，它会释放电子，它们的位置会被电子记录下来。有了六层，每个穿过的宇宙射线都会留下六个“命中”，追踪出穿过核心的轨迹。磁场笔直地穿过磁铁的空心核心，平行于硅传感器的平面，会将粒子向一个方向或另一个方向拉动，从而使轨迹弯曲。根据弯曲的程度，物理学家可以判断粒子的重量。根据弯曲的方向，他们可以判断它带正电荷还是负电荷，这意味着是物质还是反物质。然后，萨拉蒙说，如果我们要探测到一个核电荷为-6的宇宙射线，例如反碳，这将 conclusively 证明反恒星的存在，因为碳——或反碳——只由恒星在称为核合成的过程中产生。
问题是，宇宙射线在从磁铁一端穿到另一端时，弯曲程度可能不超过100微米——也就是十分之一毫米。因此，丁肇中、巴蒂斯顿及其团队必须确保他们能够以几微米的精度探测到每个击中点的位置，否则他们可能会把朝一个方向弯曲的宇宙射线误认为朝另一个方向弯曲的宇宙射线。巴蒂斯顿说，他们可以制造硅传感器，使其能够将宇宙射线穿过点的识别精度控制在10微米以内。他们还想出了一种方法来制造传感器，使其即使在航天飞机发射的剧烈冲击下也能保持这种精度。此外，硅传感器将被薄薄的碳纤维板夹住，这将在发射过程中保持它们的刚性。无论温度如何变化——例如从日内瓦的72度到太空中的高于绝对零度3度——这些纤维都不会因膨胀或收缩而影响传感器的精度。研究人员认为，一旦探测器进入太空，他们就可以通过使用能量极高的宇宙射线来双重检查传感器的精度，这些射线即使穿过实验的高磁场也会几乎笔直地通过。
然而，拥有一个能在太空中运行的实验，与将其送入太空是两回事。布尔昆说，尽管丁肇中等人将其实验称为“反物质谱仪”（AMS），但美国宇航局和欧洲空间局批准卫星程序的程序都非常漫长，而且发射卫星的积压也很多，所以他们无法在2017年之前将其送入太空。
国际空间站阿尔法号看起来是个更好的选择。该项目最初是耗资800亿美元的美国空间站自由号，但在1993年，克林顿总统将其国际化。多年来，科学界一直反对空间站，称其为“极其昂贵的公关计划”。科学家们认为，如果自由号有支持者，那可能是航空航天业，但肯定不是科学家。到1992年，约有二十多个科学学会，从天文学家到细胞生物学家，都正式反对该项目。
“我能看到美国宇航局，”布尔昆说，“有了这个巨大的改造过的自由项目，真的需要一些科学。那么，什么样的好科学可以放到那里呢？也许很多小的生物学实验——小鼠或其他什么跑来跑去——但一个大型科学实验呢？”
丁肇中的项目看起来是答案。他不仅为空间站提供了重要的科学研究，而且以低廉的价格提供了重要的科学研究。凭借他庞大的国际合作，借助十几个国家的工程技能，丁肇中可以承诺以大约2000万美元的价格建造这个实验。“能源部将对实验进行同行评审，确保其具有科学价值，然后拨款300万美元，丁肇中的外国合作者将贡献其余部分。美国宇航局所要做的就是先在航天飞机上搭载AMS——萨姆想有机会飞行一次，”美国宇航局局长丹·戈尔丁说，“他会进行检查，带回地面，重新调整，然后再将其送上空间站。我们将它两次送入和送出太空并连接到空间站的总成本是1300万美元，”戈尔丁说，“用极少的钱，我们就有可能获得轰动性的科学发现。”
作为回报，美国宇航局和戈尔丁要求丁肇中和他的同事遵守他们的安全规定，并要求丁肇中将实验名称改为“阿尔法磁谱仪”。新名称避免了暗示AMS所能做的唯一科学就是寻找反物质。毕竟，艾伦说，如果你在走廊里和人们交谈，他们会告诉你每个人都知道没有反物质。另一方面，这些理论家也会说，某些作为暗物质问题（即宇宙中80%不可见的部分）的假设候选粒子，很可能衰变为反质子。丁肇中的实验可以收集数千个反质子，并通过筛选它们来寻找它们起源于暗物质的证据。例如，如果足够大比例的反质子具有相同的能量，那将表明它们都来自同一种衰变的暗物质粒子。甚至丁肇中的巨型磁铁也有可能捕获反暗物质粒子。谁也说不准。例如，为能源部审查丁肇中提案的戴夫·施拉姆说，他推荐这个实验不是因为他认为它会找到反物质，而是因为它很有可能解决部分暗物质问题。
丁肇中似乎并不太在意。在他的AMS讲座中，他喜欢把天文学中精确光测量的首次使用追溯到1054年，那是最早精确记录超新星的年份，这恰好是一份中国记录。“在所有这些时间里，”他说，“从来没有人对太空中的带电粒子进行过精确测量。我们将要做到这一点。我们将非常清楚地研究宇宙射线的组成，并将从中学习很多。由于以前从未做过，我们不知道会得到什么。但我们会有所收获。”
