科学网:一篇关于宇宙线的科普文章 氢氦到铁原子核光电微

邓文龙

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一篇关于宇宙线的科普文章  精选

氢原子核 氦到铁元素原子核 少光电中微

已有 2748 次阅读 2017-7-2 10:17

个人分类:科普|系统分类:科普集锦

春节期间写的一篇关于宇宙线的科普文章，高能所“载物杯”征文作品，首发于科学网平台。

“前方高能--”，每天在太空中大喊的“悟空”（DAMPE）在取经路上已有一年多，据闻已经攒够19亿的红包，可以给每位中国人发个高能粒子！我掐指一算，呵呵，与扫了一个月“敬业福”分享马云粑粑的红包差不多。

“鸡年纳福”，在全民抢红包欢度春节之时，争论了一年的中国超级对撞机项目（CEPC-SPPC）的辩论仍是热度不减，何祚庥院士与何小刚教授一批一拨，辩论的好不热闹。一个百亿量级的项目，建，或不建，我们吃瓜群众除了围观，还是围观。但是如果中国人能为人类文明作出一份重要贡献，俺窃以为还是值得地。

看人家美国的“利狗”（LIGO谐音）团队，经过几十年的不懈努力，终于在2016年成功的探测到了引力波，证实了爱因斯坦的百年预言，同时也打开了人类探索宇宙的又一扇窗，瞬间席卷世界各大媒体，在人类文明史上写下了浓重的一笔。

前方高能，高、高、高高能！

落户四川的“辣叟”（LHAASO谐音）将于今年四月中旬开建，“辣叟”与取经的“悟空”收集的是同类高能粒子——宇宙线，但是能量高了很多，最高超过了万倍，是高、高、高高能粒子。据闻建成后每天都可以给十几亿中国人发红包，每人不少于一个高高能粒子。我再掐指算算，呵呵，一年有四百多个呢！关键是“辣叟”是个十亿的项目，探索的是宇宙中的超级超级加速器，要冲击的也是困扰人类百年的世纪难题——宇宙线的起源之谜。

在认识“辣叟”之前，我们先认识一下宇宙线。

宇宙线是如何被发现的？

早在1903年，卢瑟福和库克在用电离室观测放射性时就注意到空气中存在某种未知的放射性，但是当时科学家们认为这种未知的放射性来源于地球。1912年，奥地利物理学家赫斯冒着生命危险多次乘坐气球进行测量，发现空气的电离度在700米略有下降，但随后随高度一直增加，最高到达5350米时为地面的数倍，由于白天和晚上的观测结果相同，因此赫斯断定这种射线不是来源于太阳的照射，而是来源于宇宙空间。后来有人给这种未知的辐射起名为宇宙线，此名一直沿用至今。赫斯也因宇宙线的发现与1932年在宇宙线中发现正电子的安德森分享了1936年的诺贝尔物理学奖。

（1912年赫斯乘坐气球测量空气放射性，发现宇宙线）

宇宙线是什么？

宇宙线是什么？这个问题困扰了人类很长时间。在宇宙线发现之初，大多数人误认为它是来自宇宙的一种远高于X射线的高频电磁辐射，即伽马射线，因此起名为宇宙线。上世纪30年代，科学家经过长途跋涉在世界各地进行测量，发现宇宙线在地球磁场中存在纬度效应，从而推断出宇宙线主要是由带电的粒子组成。如今，人类可以利用飞行器直接到大气层顶部，利用先进的粒子鉴别技术对原初宇宙线进行直接测量，这方面最牛的仪器就是由丁肇中先生领导的阿尔法磁谱仪AMS，目前正在国际空间站采集宇宙线数据。现在，人类已经知到宇宙线是来自宇宙深处的高能粒子，只有少数低能粒子来自太阳爆发事件，其中含量最高的是质子（即氢原子核），其次还有元素周期表中从氦到铁元素中的多种原子核，它们共同构成宇宙线的最主要成分（约占99%），同时，宇宙线中还包含少量光子、电子、中微子以及反粒子等。

如何探测宇宙线？

宇宙线的能量分布从109eV （相当于北京正负电子对撞机束流粒子能量）到1020eV（相当于现今最大人工加速器所产生粒子能量的百万倍）不等，除了1010eV以下的宇宙线受太阳系磁场影响外，其它的宇宙线呈简单的幂律分布，即流强随能量升高而快速下降，跨度达30个量级。在1011eV处，每平方米每秒有一个宇宙线粒子，在这个能量附近可以将探测器放在卫星、空间站或高空气球上，在大气层顶部对宇宙线进行直接探测，2015年底升空的“悟空”和计划未来放在中国空间站的HERD就属于这类探测器。随着能量升高，流强快速下降，如在1015eV能量，每平米每年才有一个宇宙线粒子，对于这么稀少的宇宙线，需要在地面用更大的探测器进行间接探测。宇宙线在进入大气层之后，和空气核碰撞，产生次级粒子，次级粒子进一步产生下一级粒子，并如此发展下去，我们称其为广延大气簇射（EAS）。次级粒子的数目和原初宇宙线能量相关，如一个1015eV原初宇宙线的次级粒子可以达百万量级，分布范围达数百米。“辣叟”和此前的羊八井宇宙线观测站就是通过测量广延大气簇射中的次级粒子对原初宇宙线进行探测。





（图2：广延大气蔟射及EAS阵列探测原理图）

为什么要研究宇宙线？

宇宙线的发现为人类找到了能轰开原子核的“粒子炮弹”，打开了微观世界神秘的大门，自上世纪30年代起的20多年间，人类在宇宙线（主要是原初宇宙线与空气核碰撞产生的次级宇宙线）实验中相继发现了正电子、μ子、π介子、K介子及Λ超子、Σ超子等基本粒子，开创了粒子物理学，促成了人工加速器的发展。随着技术进步，探测器对宇宙线收集能力的逐渐增强，目前宇宙线的研究已经转向天体物理，宇宙线这一来自宇宙深空的唯一物质样品也成为连接宇宙与地球的“信使”。宇宙线与电磁波（即通常说的光）一样，目前需要再加个引力波了，是人类探索宇宙和认识宇宙天体的重要窗口。在过去的二十多年，宇宙线实验对宇宙线粒子及高能γ射线的观测为高能天体演化和新物理的前沿研究提供了重要的观测数据，成为发展势头最强劲的高能粒子物理与天体物理的交叉领域。

世纪之谜——宇宙线的起源？

宇宙线最高能量达到人工加速器所产生粒子能量的百万倍，这么高能量粒子来自何方？又是被如何加速的？从1912年发现至今，宇宙线的起源问题已经困扰人类一百多年。2002年，美国国家研究委员会发布的研究报告中指出，宇宙线起源问题位列新世纪需要解答的11个与宇宙有关的难题之一。宇宙线中绝大部分的粒子是带电粒子，宇宙线经过宇宙空间漫长的传播，受到星际磁场偏转逐渐失去了最初的方向，因此，根据地球上观测到的宇宙线到达方向，很找到宇宙线的发源地。目前，虽然不能准确地说出宇宙线的发源地，但科学家们普遍认为宇宙线主要是恒星生命末端灾变的产物，如超新星爆发及其遗迹星云、脉冲星、伽马射线暴等。在超新星等极端天体中寻找宇宙线的起源证据也成为当前国际大型宇宙线实验的核心科学问题。在宇宙线的起源地，宇宙线会与当地的介质气体碰撞产生中性高能伽马射线，因此，通过高能伽马射线，特别是1014eV及以上能量的伽马射线，是目前寻找宇宙线起源非常重要的手段，这也是“辣叟”冲击世纪之谜的秘密武器。

“辣叟”的前世今生

要说“辣叟”的前世，需要追朔到建国初期，在上世纪五十年开始，老一代的科学家就开始在云南落雪山建造高山云雾室和乳胶室，在宇宙线中寻找新粒子，并建立了我国的第一个宇宙线站点；在上世纪七十年代开始了广延大气簇射阵列研究，在1989年左右与日本合作在西藏羊八井开始建设ASγ实验阵列，对宇宙线进行抽样测量；在2000年左右与意大利合作在羊八井开始建设ARGO-YBJ实验阵列，对宇宙线进行地毯式测量。经过羊八井观测站二十多年的经验积累，中国的科研人员经历了从ASγ实验的跟随式合作，到ARGO-YBJ实验的平分秋色式合作，而如今，“辣叟”实现了以中国为主、多国参与的大型宇宙线观测实验。“辣叟”项目自2008年首次提出，2011年在国务院发布的《国家重大科技基础设施建设中长期规划（2012-2030年）》中被列为16个优先安排的重大项目之一，于2015年12月31日获得国家发改委批准立项。站点的选址也几经波折，从最初的羊八井到云南的香格里拉，最终定址在四川省稻城县海子山，占地面积达1.36平方公里（2040亩），海拔为4410米。项目总投资为12亿元（含四川省配套资金3亿元），建设周期为4年，预计2017年4月中旬正式开始建造。

（图3：羊八井国际宇宙线观测站）

认识一下“辣叟”

“辣叟”的官方名字为“高海拔宇宙线观测站”，英文名称为：Large High Air AltitudeShower Observatory，缩写为：LHAASO。其核心科学目标为：(1)通过高能伽马源宽范围能谱精确测量，特别是1014eV左右的测量，探寻银河系内强子宇宙线加速器，破解宇宙线起源这一世纪之谜；(2)成为世界上最灵敏的地基伽马射线巡天扫描器和监视器，大量发现新伽马源，并进行长期监测，探索活动星系核、伽马暴、脉冲星风云等高能天体辐射机制和内部活动机制；(3)精确测量宇宙线能谱和成分，研究宇宙线加速和传播机制，探寻暗物质、量子引力或洛仑兹不变性破坏等新物理现象，发现新规律。在技术上，“辣叟”采用三种不同的手段，即7.8万平米水切伦科夫探测器阵列（WCDA）、一平方公里的地面簇射粒子阵列（KM2A）和12台广角切伦科夫望远镜阵列（WFCTA），对宇宙线粒子和伽马射线在大气中产生的空气簇射进行多参数的精确测量，实现从1010eV到1018eV的宽能量覆盖。



（图4：高海拔宇宙线观测站LHAASO（规划图）及其三种探测阵列。）
经过几十年的经验积累，加上青藏高原高海拔的得天独厚条件，我国的宇宙线研究在国际上已经具有独特的优势，“辣叟”也将跻身于世界上四大宇宙线研究基地。在新年伊始，祝愿“辣叟”在鸡年能够吉星高照、吉祥如意。至于世界其它三大宇宙线研究基地，且听下回分解。

                                                               写于2017年2月

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邓文龙

宇宙线

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宇宙线对能量的分布。
宇宙线亦称为宇宙射线，是来自外太空的带电高能次原子粒子。它们可能会产生二次粒子穿透地球的大气层和表面。射线这个名词源自于曾被认为是电磁辐射的历史。主要的初级宇宙射线（来自深太空与大气层撞击的粒子）成分在地球上一般都是稳定的粒子，像是质子、原子核、或电子。但是，有非常少的比例是稳定的反物质粒子，像是正电子或反质子，这剩余的小部分是研究的活跃领域。
大约89%的宇宙线是单纯的质子，10%是氦原子核（即α粒子），还有1%是重元素。这些原子核构成宇宙线的99%。孤独的电子（像是β粒子，虽然来源仍不清楚），构成其余1%的绝大部分；γ射线和超高能中微子只占极小的一部分。
粒子能量的多样化显示宇宙线有着广泛的来源。这些粒子的来源可能是太阳（或其它恒星）或来自遥远的可见宇宙，由一些还未知的物理机制产生的。宇宙线的能量可以超过1020 eV，远超过地球上的粒子加速器可以达到的1012至1013 eV，使许多人对有更大能量的宇宙线感兴趣而投入研究[1]。
经由宇宙线核合成的过程，宇宙线对宇宙中锂、铍、和硼的产生，扮演着主要的角色。它们也在地球上产生了一些放射性同位素，像是碳-14。在粒子物理的历史上，从宇宙线中发现了正电子、μ子和π介子。宇宙线也造成地球上很大部分的背景辐射，由于在地球大气层外和磁场中的宇宙线是非常强的，因此对维护航行在行星际空间的太空船上太空人的安全，在设计有重大的影响。

详细：
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%AE%87%E5%AE%99%E7%B7%9A



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