主题：【转帖】宇宙飞弹：天体物理学中的高能粒子

康乃尔的科学家建造了一座有多种颜色由25个侧面构成的建筑物，看起来更像是儿童游戏馆而不是严肃的天体物理观测台!其中16个侧面均嵌有500毫米直径的窗户，它们实际上是收集并汇聚来自空气簇射的荧光的透镜。当人们看到建筑物内的大量电缆与电子仪器设备时，准会忘掉它的儿童游戏馆外形。观测台以内有16套比窗口稍小的特定结构，一共安装着505个电光倍增管，它们通过透镜凝视着天空等待搜集微弱的闪光。这套建造构思模仿蝇眼的光学系统，设计成使每个光电管都盯住一块特定的夜空。从505个光电倍增管传来的电信号分别显示在由505面示波屏幕组成的各自屏幕上，当光电倍增管的一组电子线路检测到宇宙射线信号时，显示屏上的信号图像就适时地被拍照下来。通过这种方法就把天空的每个"象素"非常便利地展现了出来。那些学生们常常耗费很长时间，从成百上千卷照相记录胶片中凝视搜寻确实可信的宇宙射线事例。

　　格雷森和他的学生们期望发现空气簇射的印记。它由开始出现在指向高空的某一光电倍增管显示屏上的光信号构成，随即相继通过一连串其他象素。在当时的技术条件下，这确实是一项艰巨的任务，格雷森把高能物理学研究新领域中的经验运用到尽力检测暗弱簇射的工作上。这项任务可以比作，对一个只有5瓦的蓝光小灯泡以光速猛烈冲过大气的过程进行检测!令人遗憾的是，格雷森的研究组从未搜寻到认为确实可信的这类事例。他们因缺乏廉价的电子仪器设备和缺乏廉价的大型光线汇集装置而导致失败。无论如何，设计思想是正确的。在康乃尔，有一位名叫乔治·卡西迪(George Cassiday)的年轻毕业生，当时正从事一项另外的实验，那是一个比较传统的高能物理加速器实验。但是，他深受论证巨大宇宙加速器存在可能性的激励，并对格雷森的成功和最后失败给予极大的关注。

蝇眼的犹他州版本 

　　1970年卡西迪迁移到盐湖城，到犹他大学做博士后研究工作。他除了在J·柯费尔(Jack Keuffel)领导的宇宙射线研究组从事他所喜爱的智力活动外，还能参与他毕生感兴趣的各项户外活动，从长跑和徒步走直到滑雪和激流游泳。甚至当前依然经常见到卡西迪在盐湖城大街上进行半局马拉松长跑。在这个摩门教影响很深的州和城市，由于他的幽默感使他保持着清醒的头脑。他对敲门传教的摩门传教士的回应是敬他们一杯啤酒，通过这一行动明确地表示他对来访者的欢迎，他们通常也接受这种祝愿。

　　柯费尔研究组的专长是探测来自空气簇射的高能μ子相互作用。他们的大型实验是在靠近历史名镇公园城(Park City)的银矿矿井中进行的。这个历史名镇当今由于成为R·莱德福德(Robert Redford)一年一度主持兴办的太阳舞蹈(Sun dance)电影节的会址而更加闻名。这个研究组的兴趣集中在高能μ子怎样与检测器上方的岩层发生相互作用，而不是在初级宇宙射线的天体物理学探索。就像在高能粒子物理学领域早先的许多先驱者那样，他们乘来自宇宙加速器的粒子束之便进行研究。但在1972年，卡西迪省悟到，用蝇眼这样的检测器有可能把天体物理学的研究和粒子物理学的研究结合起来。他说服柯费尔，使他相信格雷森的想法需要进一步试验，并立即投入为期一年的设计研究。进行了一系列计算和计算机模拟以后，卡西迪深信，如果采用更加先进的现代高速电子仪器，则格雷森的想法是可行的。到了1975年，这个研究组得到了政府的资助，于是开始新的试验。非常不幸，就在那同一年，柯费尔在一次爬山运动中死于心脏病，卡西迪失去了他最伟大的良师益友，但他有能力担当起这个研究组的领导工作，能把蝇眼计划引向成功的结局。

卡西迪认为，新的蝇眼装置除了需要更好的电子仪器之外，还需要更大的光收集器。为了把更多的来自夜空的微弱光汇聚到光电倍增管组件上，把格雷森检测器的0.5米直径的透镜换成了1.5米直径的曲面反射镜。不过新检测器的特性还与原来的检测器一样，每一个光电倍增管都监视一个惟一的天空单元面积(或象素)。因为政府资助代理机构想要证明新的设计概念要比先前的好得多，于是卡西迪和他的研究组把几个反射镜和几件原型电部件带到林斯利的火山牧场阵列的所在地，新墨西哥的阿尔布科克(Albuquerque)。这时正值新墨西哥的晴朗夜晚时期，在监视天空的阵列中又加之以他们的检测器，共同等待着大型空气簇射的到来。开始有过几次失败，但后来在林斯利的检测器上检测到簇射粒子的同时，实验者们也欣喜地检测到了荧光。这不仅是符合测量的一次成功，而且卡西迪和林斯利共同认为，两种技术在地面高度上所确定的簇射尺度相同，达到了优于10％的精度。

　　这些激动人心的结果使得对整个计划的资助有了保证。这时恰好是为蝇眼选定永久站址的好时机。在盐湖城的西边大约140千米的地方，就在头盖骨山谷(Skull Valley)印第安人保留地的近旁，设置着巨大的美国陆军达格威(Dugway)实验基地。该基地已建立50多年，覆盖着犹他州西北角的重要部分。达格威对于卡西迪研究组确实能提供一些方便。举一个例子来说，这里有发电站和其他基础设施，虽在一个偏僻的荒芜地区，却远离了足以使灵敏的光电倍增管陷入困境的城市灯光。有军队的安全防护更不必担心野蛮行为的侵扰。这个地址惟一的缺点是，偶然的军事演习会使得科学家们每年有几天不能顺利到达站址。1977年，整个"蝇眼"结构在小花岗岩山(Little Granite Mountain)的山顶开始建造。它是一座130米高的小山，在小山顶上观看，四周的荒漠和稍远的群山一览无余，景色壮丽。犹他研究组建造了67个反射镜单元，在每个反射镜的焦平面上安装着一个由12只或者14只光电倍增管组成的组件。把反射镜的指向设计成：全部880只光电倍增管的每一只监视着夜空不同的一块5度直径的六角形部分。反射镜安装在2.1米直径的波纹铁管的一端，很像一个大储水桶。夜晚在操作开始时，马达旋转拖动反射镜筒使每个反射镜都朝向指定的天空部分。白天时，为了保护仪器设备和使光电倍增管不受气候和强烈日光的照射，要把反射镜指向大地。

最初的犹他州蝇眼检测器采用67台反射镜汇集夜空图像，每台反射境包含着一丛光电倍增管。这里图形中每个六角形象素代表着一只光电倍增管的视野。当一串光电倍增管看见一个光信号时，就是检测到一次空气簇射，就像图中画成黑色的象素所显示的那样。

　　也和检测来自空气簇射的契伦科夫光类似，蝇眼受夜晚的天光和天气的限制，它每个月的观测时间只限于晴朗无月的夜晚。由于那里气候条件好，可用于观测的时间每年都长达18％。不过在实施中，蝇眼的运作时间只是12％，其运行时间的减少因技术上采用巨大的覆盖面积而得到补偿。蝇眼能监视到的大气体积从小花岗岩山伸展到20千米。所以，这样一套1000平方千米覆盖面积和监视时间为一年的12％的系统，其灵敏度相当于覆盖面积为120平方千米并监测时间为一年的100％的地面阵列。

　　在蝇眼的控制室中，在计算机和20个两米高的电子仪器架近旁竖立着一个蓝色的塑料半球。在检测器夜晚运作的时间里，这个特殊物件吸引着蝇眼操作者的注意也引起参观者的兴趣。这个装在墙壁上的半球的直径约有一米半，代表着蝇眼上方的夜空半球。镶嵌在塑料半球上的880个红色小灯泡代表着880个光电倍增管所监视的天空方向。每当蝇眼检测到一次空气簇射，这一事件就会用红光重新在半球上演示出来。操作者看见一串红光在向前运动，它指明簇射通过大气的路径。为了使演示能适应人类的视力以便看得清楚，显示时把簇射在路径上行进的速度放慢了100万倍!同时，全部光电倍增管监视簇射所获得的数据信息，包括闪光强度、到达时间，都由计算机记录下来。抵达时间能测到一亿分之五秒的精度。

光电倍增管"点火"时的指向信息和点火时间的信息随后用于簇射轴位置的确定，簇射轴是簇射在空间沿着它发生和展开的一条假想线。知道了簇射轴和沿轴各个位置上看到的闪光总数量，就能计算出簇射发展的所有阶段共产生了多少粒子。蝇眼直接测出称作"展开曲线"的这种独有能力，是它的主要特长，这就使得犹他科学家实现了用直接了当的办法估算出原始宇宙射线能量的愿望。展开曲线还为他们提供了出色的掌握有关粒子质量的办法。在每晚的运行操作中，操作者能通过注视演示光的闪现，可以确信不时发出闪光的美丽簇射在正平稳地激起检测器在正常运作。人们不时会因看到显示器上拼写出表明簇射的文字而倍感惊喜!还是由卡西迪偶然想到的，利用计算机的运作把偶然出现的闪烁变成可以理解的消息，并能经常引起人们惊喜，特别是能让那些习惯卡西迪式世俗幽默的操作者们感到高兴!

　　正当发现蝇眼看不见20千米以外的空气簇射微弱的荧光时，这个检测装置却看见另外的更加遥远的光源。还在建设期间，有一个夜晚，卡西迪打开新的一组碰巧指向北方地平线的反射镜。突然发生了让他感到极其讨厌的现象，他发现检测器中的好几百个光电倍增管以15秒的间歇时间很规则的被点燃。卡西迪和他的同事们跑到室外去看那个方向上想像中的光源，但是什么也没看见。后来的几个夜晚仍继续进行检测，并且把反射镜的位置尽量调到更准确的指向，终于看到有个跳动的东西奔向想像中的光源。最后，科学家们发现，原来在距蝇眼100千米以外的大盐湖岸边，矗立着一座国际冶铅公司的冶炼厂大烟囱，顶端安装着飞机预警频闪灯!这家公司并不在规定关掉灯光的范围内，于是卡西迪不得不设计一套电子线路，按照每15秒的规律把那个干扰信号放在蝇眼的时间盲区里。(后来，因铅市场萧条，冶炼厂停产，烟囱也就毁掉了。)

　　后来又在众目睽睽下发现了一个更壮丽的背景光源。从盐湖城CBS转播站来了一帮电视工作者，他们把摄像机架到了蝇眼的控制室，准备在10点钟的新闻节目中把生活图像发回转播站。当显示器上闪起红色灯光时，科学采访员正在论述蝇眼的光显示器的功能，以便指出天空正在出现巨大簇射闪光。犹他大学的科学家们对电视摄像组的采访感到厌烦，有个名叫B·凯第(Bob Cady)的毕业生一改平常沉静拘谨的习惯，泄漏出一条本地电视新闻听不到的消息。于是人们全部冲出室外去看是什么在天空中闪亮，原来是苏联卫星正在陨落以引人注目的景像重新进入大气.

联邦调查局(FBI)盐湖城分部的某个人，那天晚上一定看过第5频道。第二天联邦调查局给大学打电话召请该实验组的一位代表去他们的办公室。他们打算派给蝇眼一个犹他科学家未曾想过的阴险用途，就是对洲际弹道导弹的重新进入大气进行天空监视。FBI特别担心"另一方"可能已经认识到蝇眼的优越性能。卡西迪挑选P·吉尔哈迪(Peter Gerhardy)去访问FBI办公室。代理人会见了蝇眼的代表，质问他蝇眼的人是否接近过什么外国来的研究组。吉尔哈迪操着浓重的澳大利亚口音回答说，最近他接触过成群的外来陌生人，不过他们全都是美国人!

　　蝇眼从1978年建成一直成功地运转到1993年。在运行到一半时间的时候，犹他州科学家又给这个系统增添了第二只眼。称做蝇眼Ⅱ的设施建在从小花岗岩山谷底看刚超过3千米的地点，它由36个反射镜单元构成，只覆盖半个夜空，而且也是在原来蝇眼的覆盖范围以内。这个研究组打算建一处第二站址，而且早已注册登记，但还没有等到国家科学基金的资助。1967年，格雷森明白了对每个簇射都进行立体观测的优越性，而卡西迪研究组正处在可以实现这一想法的位置上。我们知道，计算宇宙射线能量的第一步是，确定簇射在空气中的展开轴线。用单独蝇眼完成这件事首先要标明簇射产生的闪光是从哪个光电倍增管开始的。由于在光显示器半球上的显示，使得识别点燃的那些光电倍增管变得很方便。这些光电倍增管在夜空半球上形成一条线，它确定了一个空间平面，平面包含着簇射轴与蝇眼。这个平面被称作簇射检测器平面。传统蝇眼的办法是，根据每个光电倍增管的点燃时间，用计算的方法决定簇射轴在平面内的取向。这样就确定出簇射路径的实际几何情况。

　　如果用两只蝇眼观看同一个簇射，每只能确定自己的一个簇射检则器平面。采用快速分析程序，使两个平面相交出一条直线就能很快地确定簇射轴线的空间位置。对簇射进行立体观测所确定的簇射轴位置更加精确，这是因为不再只是根据光电倍增管的点燃时间，而这个时间的准确性往往受反射镜不完善等问题的影响。经过对簇射轴估算的改进，加上用双蝇眼观测取得的簇射展开曲线，于是就得到了更好的初级宇宙射线能量表述。从1985年以来，这两台检测装置在犹他州西部的荒漠地区采用双眼立体观测的办法观测到许多簇射。为卡西迪及其研究组积累了很大的一套精良的簇射测量资料。不过，能用双眼立体观测方法检测的簇射还需要具备稍特殊的几何特点，另外的许多簇射资料是只用原来的蝇眼Ⅰ取得的。在探索不可思议的宇宙射线带来的更多信息时，"双眼"观测数据和"单眼"观测数据有着不同的用途。

Akeno(明野)巨型空气簇射阵列

　　在讨论蝇眼和同类其他大型装置发现了一些什么之前，需要先说说最近巨型阵列的运转情况。1975年，若干个日本的大学在以Akeno(明野)农区为基地的一系列初次建立从未有过的更大实验中开始工作。这个地方在东京以西200千米。随着阵列的由小到大，从1984年的1平方千米至20平方千米，到1991年的100平方千米，观测站在视野和重要性方面也由小变大。当前，这是以往建成的最大地面阵列，是人们见过的世界上最大的科学实验。按照传统地面阵列，100平方千米的Akeno巨型空气簇射阵列AGASA，使用了100多个塑料闪烁检测器，用来测量到达地面的空气簇射。另外还有一套(30台)混凝土覆盖着的附加检测器，是为测量簇射产生的贯穿力很强的μ子成分而建造的。

　　在半农村式的Akeno地区，实验者们既享福又受苦。一方面，把检测器安置在牧场中部和城镇住宅后院需要商谈的技巧，而林斯利在火山牧场或卡西迪在达格威就不需要进行商谈。另一方面，道路网和电力线等基础设施已经存在，使得对检测器提供能源和服务变得容易，甚至能把每个检测器都用光纤与中心数据收集站连结起来。AGASA检测器当前是一套最先进的仪器设备，这套地面阵列具有无与伦比的灵敏度和多种功能。它曾取得几项重大发现，而且仍然具有另外5年到10年的运转寿命。下面我们就要描述它的某些发现。中心问题十分明确，这些宇宙射线是什么?它们是从哪里来的?

对最高能宇宙射线我们知道了什么?

　　进行了30年测量之后，值得注意的一个仍旧未变的情况是，还是没找到最高能粒子到达的显著优势方向。林斯利在火山牧场阵列首先提出这个结果，但是为了进一步证实这个结果许多研究组继续勤奋地工作了二十来年。早年所期望的银河系平面上会成为这种粒子源点燃着的灯塔的那种景像并没有发生。从银河方向来的宇宙射线和从天空任何其他方向来的同样多。换句话说，看来到达方向的各向同性的程度很高。这种局面之所以能引起人们的兴趣正是由于感到它不可理解!如果宇宙射线确实是在我们自己这个星系以内加速到巨大能量的，那么预期在银河方向上就会看到较多事例。这就得设想，宇宙射线在最高能量情况下星系磁场对它的路径作用很弱，它基本上按直线行进。或许我们所掌握的磁场强度是错误的，或者我们关于宇宙射线在其轨道上所带电荷的认识是错误的，我们将要看到这都不大可能。而另一方面，或许这种粒子是由我们星系以外产生的，我们希望在星系间的宇宙空间磁场更弱，这样在粒子通过非常大的距离时，路径应当比较直。然后我们就能预期看到高能粒子从天空所有方向以相同的概率抵达我们这里吗?答案是大概不会如此。

　　下面的说法肯定没错：假如你用一架威力很大的光学望远镜指向天空的任何部分，你的视野中必然出现星系。它或者是像我们银河系这样的正常星系，或者是强大的射电星系或类星体。这些天体在天空的分布是相当均匀的。假如宇宙射线是从这类天体的一小部分中产生的，我们不是就看见空中任何方向都出现宇宙射线了吗?是的，应该是这样，但是在没有基本微波背景的情况下才会是这样，然而这种大爆炸遗迹却一直存在着。它使我们想起，这种辐射在高能宇宙射线粒子能在宇宙空间行进多远距离上所设置的限制，实际上所设置的是一个很严的限制。据估算高能宇宙射线粒子最远约只能行进3亿光年的距离，而大多数粒子都走不了这样远。我们通过望远镜所看到的大部分星系都比这一距离更远，而邻近我们的星系在天空的排列分布明显成团成群很不均匀。我们一直没能见到成群宇宙射线抵达方向的类似分布，这一事实似乎结束了简单的银河系外起源模型。看起来似乎是，无论银河系起源还是银河系外星系起源，这类简单设想的模型都回答不了宇宙射线起源的完整过程。最大可能是，两种起源的混合才是起源的真实情景，确实各种观测实验结果也都支持宇宙射线的混合起源理论。

我们在前面看到，多年进行基本测量实验的成果之一是取得了宇宙射线能谱。该能谱标志着在每个能量数值上测量到的宇宙射线相对数量，从能谱上看到随能量数值增大宇宙射线粒子数目急速减少。当能量按因数10增大时，高过那个能量后宇宙射线的数量约按因数100减少。在很宽的能量范围内从丰富的低能量宇宙射线一直到能量再高1000万倍的宇宙射线，这个拇指规律都极为准确。另一个表述的说法是这个能谱曲线图显然平淡无奇，只是在我们熟知的平滑能谱上出现轻微的偏离。在各种巨型阵列以及蝇眼所测量的能量范围，在3×10^18eV左右能谱的外形特征是斜率有显著变化。这一能量以上能谱曲线下降趋于缓慢。其外形已知像"踝"的样子。所有观测实验都测量出这个同样的形状。但这段位置的最优秀图像是蝇眼研究组于1993年在其观测研究结果中公布的，其中发表了以立体观测模式汇集的详细数据。

　　蝇眼所提供的结果，因其独特而使人兴奋。清楚的踝形图像在这段能量范围与宇宙射线能量测量到的结果相互印证。从蝇眼的角度统观整个簇射的展开，就能把初级宇宙射线的质量划分为轻粒子(如质子和氦核)、中等粒子(如碳或氧核)和重粒子(例如铁核)。根据簇射在大气中达到最大尺度穿过的大气深度就能取得这个分类结果。从前已经提到，重初级粒子引发的簇射展开得十分快，与质子簇射比较起来，达到最大尺度时进入大气较浅。如果你考虑到铁核是56个质子和中子紧紧捆绑在一起的重颗粒，它的行为就很容易理解了。当一颗携带着能量E的宇宙射线铁粒子进入大气与一个空气分子发生碰撞时，56个质子和中子就从碰撞火球中立即释放出来。每个粒子带去约E/56大小的一份能量，随后每个粒子又都引发一个次级簇射。每个次级簇射只分到初始能量的一小部分，展开得十分快，全部空气簇射是这些次级簇射的总和。对比来看，携带能量E的质子，在引发单簇射后达到最大尺度须经过较长时间。就这样，立体蝇眼阵列根据"最大尺度的深度"为簇射作了分类。据此，犹他科学家找到了簇射粒子能量与能谱踝形曲线部分的相关性。

这个成果于1993年发表在很有声望的科学期刊《物理学评论通讯》上，引起了天体物理学领域许多人的关注。犹他州研究组还发现，宇宙射线粒子的典型质量随着能量由10^18eV左右的较低能量增大到10^19eV的较高能量而变化，这个变化是逐步的。在较低能量处重粒子(像铁核)有显著的百分比，而逐步变化到在最高能量处轻粒子(主要是质子)成为主要组成。宇宙射线质量的这一变化发生在能谱的踝形处这同一能量区上其意义导至许多推测。犹他州研究组提出一个非常简单的解释。基本想法是，宇宙射线射来的低能部分起源于我们银河系以内，高能部分来自银河系以外。两种起源很像是提供了两种不同的组成，各自会有自己与另一个不一样的能谱形状。陡峭的低能量能谱直接加上较平坦的银河系外起源的宇宙射线能谱就得到观测到的有着踝形特征的合成曲线图。因为质子能够很好地胜任在星系际空间遥远距离上的旅行，所以在模型中粒子射来的高能部分看到以质子占优势是很合理的。像铁核这样的重宇宙射线粒子可能就是那些较远的星系产生的，但是它们较容易与充满整个空间的星光光子通过碰撞分裂成碎片(最终分裂成质子和中子)。

　　这个简单的理论，对最高能量宇宙射线的能谱和质量特性给出一定的解释，对于它们到达方向的均匀性也说得通。我们心中有了这幅图像就不再期望银河系平面是宇宙射线的主要到达方向了。尽管绝大部分较低能量的重粒子是我们星系中产生的，它们在穿过星系磁场时其路径也严重扭曲了(比质子所带电荷多26倍的铁核，通过复杂的星系磁场时也形成了弯曲复杂的路径，很容易出现从其发射源相反的方向到达地球的情况，甚至比10^18eV能量还高的粒子也会发生这种情况)。在最高能量上，质子宇宙射线不是在银河系中起源的，所以到达方向不是银河系。该模型假定银河系外宇宙射线源是均匀分布的，于是最高能量宇宙射线的到达方向也是均匀分布的。这里并没有指明那些银河系外宇宙射线源的本性或能谱中较低能量处的我们星系中宇宙射线源的本性。但作为出发点，因为同所取得的各种观测实验结果符合得很好，所以这个简单的图像极为诱人。