阿尔法磁谱仪

1998年6月，發現號太空梭執行STS-91任務將AMS-01送入太空。圖為置放於酬載艙後方的AMS-01。

固定在酬載艙內部的AMS-01模組放大影像。

1998年6月，由丁肇中領導的國際團隊建造完成AMS的雛型，編號為AMS-01，是偵測器的簡單版本，並被發現號太空梭執行STS-91任務送入太空。AMS-01沒有偵測到任何反氦原子核，因此制定反氦原子與氦原子通量比率的上限為1.1×10⁻⁶，[11]並且證實太空偵測器概念的可行性。

正在歐洲核子研究組織實驗室進行整合與檢驗程序的AMS-02

經過AMS-01試驗運作後，丁肇中團隊開始發展與建造全功能研究系統，編號為AMS-02。這計畫涉及了500名科學家，60所高等研究院與16個不同國家，由美國能源部負責領導。

從這長久演進過程研發出的儀器是"至今為止送入太空最精致的粒子偵測器"，可以與各個主要粒子加速器所使用的特大偵測器相比較，並且比任何地面類似儀器還貴上很多倍。在研發的期間，它的任務目標也有所修改。完工成品是一種綜合性偵測器，這樣，比較有機會發現暗物質的蛛絲馬跡，儘管它還有別的目標。[12]

AMS-02的動力需求很大，安裝於獨立航天器比較不實際，因此，已設定的計劃是安裝AMS-02為國際太空站的外部模組，這樣，可以使用國際太空站的動力。在哥倫比亞號太空梭災難之後的計劃是用太空梭於2005年執行太空站裝配（station assembly）任務UF4.1時運送AMS-02至國際太空站，但是技術困難與太空梭排班問題導致更多延遲。[13][14]

在瑞士日內瓦的歐洲核子研究組織實驗室裏，AMS-02成功通過最後整合與運轉檢試，這包括暴露在粒子加速器生成的高能量核子束。[15][16]之後，於2010年2月16日，AMS-02被運送至歐洲太空總署位於荷蘭的歐洲空間研究與技術中心。在那裏，它又通過熱平衡、電磁兼容性與電磁干擾等等嚴峻檢試。AMS-02原本預定於2010年5月底前運送到美國佛羅里達州的甘迺迪太空中心，[17]但由於必須完成最後粒子束準直檢試，運送日期延遲至8月26日。[18]

從超級質子同步加速器製成的20 GeV正電子被用來準直檢試AMS。

專門為AMS-02設計的低溫超導磁鐵系統是關鍵技術，能夠給出達成任務目標所需要的高靈敏度。在偵測器的發展後期，低溫磁鐵系統出現了反常加熱問題，物理學者搞不清楚其物理機制與解決方法，這問題會造成需要更多低溫冷卻能力，顯著地降低了原本系統的設計壽命（design life）。團隊領導丁肇中因此決定放棄低溫磁鐵系統，轉而改用一種先前已發展成功，但是功能較弱的永久磁鐵系統。[19][20]

由於歐巴馬政府（Obama administration）計劃將國際太空站運作時期延長至2020年以後，這更換磁鐵系統決定可以使得運作時間從短短的3年延長到多達10至18年。儘管非超導磁鐵所產生的磁場是先前AMS-01超導磁鐵的20%，它仍舊比任何現有的太空粒子偵測器好過百倍。更多數據蒐集時間被認為比更高實驗靈敏度重要得多，儘管已放棄的低溫系統原本被認為是整個任務成功的關鍵技術。[21]AMS-02先前設計壽命只有3年的系統組件，例如油漆、電路版、機械閥與線路等等，是否能夠運作10至18年，仍有待觀察。

2011年5月16日，美国航空航天局奋进号航天飞机搭载阿尔法磁谱仪从佛罗里达州肯尼迪航天中心发射升空，前往国际空间站，这是奋进号最后一次执行太空任务。

实验证据显示银河系是由物质构成的；然而，科学家相信宇宙中存在有大约1000到2000亿个星系，一些大爆炸的理论要求必须有同等数量的物质与反物质的存在。是否存在一些主要的反物质是宇宙起源与自然状态的基本问题之一，在現今可見的宇宙範圍中，明顯的正反物質不對稱性成了物理的最大難題之一。对于反物质核的任何观察将会证明反物质在宇宙中的存在。1999年，AMS-01在宇宙中设立的反氦/氦通量比新的上限为10⁻⁶。通过改进后AMS-02将研究更为敏感的10⁻⁹，以充分探寻扩展中的宇宙边缘与解决反物质这个难题。

宇宙中的可见物质，例如星星，加起来的数量为宇宙中所有被人类已了解的5%以下。其余95%是暗物质与暗能量，暗物质估计占宇宙重量的20%，还有73%是一种导致宇宙加速膨胀的暗能量。超中性子被认为是暗物质的主要潜在候选成分。如果超中性子真的存在的话，它们应该与其他粒子碰撞并释放出能被AMS-02检测出的带电粒子。

根据实验证明，夸克由上夸克、下夸克和奇异夸克等六類夸克組成(up, down, strange, charm, bottom 和 top) ；然而，地球上的大多物质仅仅由上夸克和下夸克构成（上、下夸克是構成核子的基本元素）。因此宇宙中是否存在由上夸克、下夸克和奇异夸克共同构成的稳定物质成为一个基本难题。奇异夸克团可能具有特别大或非常小的荷质比（charge-to-mass ratios），它可能会是一种全新的物质。AMS-02 将会探索出是否存在这种物质。

宇宙線对于載人火星任務是一种主要的干扰物，因此需要适当的手段以精确地测量宇宙的射线环境。对于宇宙線的大多研究是通过气球运载仪器在数天内完成的，这些研究结果显示了射线的多样性。AMS-02 将通过国际空间站控制操作至少三年的时间，以收集大量精确的数据并测量在大幅度能量系统内射线的长期多样化。此外，还将帮助了解载人航天对于射线的防护要求，这些数据将有利于确定宇宙线的星际传播与射线的起源。