主题：【转帖】宇宙飞弹：天体物理学中的高能粒子

这项技术的完善又经过了十年，改进工作是由英国P·布莱克特(Patrick Blackett)及其合作者完成的。决定性进展的关键在于盖革计数器和云室的联合运用。最初设置的云室是随时进行记录，不管出现的轨迹是否有意义。然而，当云室的记录由其上方的盖革计数器检测到粒子而启动时，则几乎每张照片都包含着引人入胜的事物。云室实验很快就指明，电子携带的能量高达10亿电子伏，比以往所知来自放射性的电子的能量要大1000倍。

　　仅这次观测就足以对这一设计尝试作出高度评价。但是最具深远影响的发现是1932年8月由安德森取得的。当时他正在加州工学院，是密立根的同事。安德森认识到〔在英格兰的布莱克特和G·欧西里尼(Giuseppe Occhialini)也几乎同时认识到〕，他拍摄下来的某些粒子轨迹是正电子的，它是与人们熟悉的电子完全相同但却是带着正电的孪生兄弟。这种"反"粒子是英国伟大的物理学家P·A·M·迪拉克(PaulA.M.Dirac)不久前刚预言过的。不过当时迪拉克认为他预言的正粒子是质子。安德森发现许多正电子是宇宙射线与原子核相互作用产生的。然而，约半年后他认识到，有时当光子(γ射线)撞击原子核时，就会产生一对粒子，包括一个电子和一个正电子。这时γ射线的能量显然直接转化成次级粒子的质量和动能，这里的质能转变正像爱因斯坦狭义相对论所指出的那样。正电子的发现和证实反粒子的存在，是物理学史上最重大的实验成果之一。γ射线的能量转化成粒子及其反粒子的过程当今称为"对产生"。

　　云室技术曾有过多方面的应用，直到近些年，仍然偶尔用到。20世纪30年代初期，在作为探索基本粒子特性的工具而使用时，或许是使用云室的全盛时期。不少实验者创造性地利用云室取得了许多重要成果。云室记录到有些粒子对看来是由电子产生的。人们认识到，在这种情况下，当电子接近原子核时首先产生一粒光子(γ射线)，随后产生粒子对。电子发射光子的过程叫做"轫致辐射"，这是因为电子与原子核相互碰撞后，可以使电子慢下来，但仍然保有能量和动量

请注意，我们现在已经又有了一个新的转变的可能性。当电子损失能量时能产生γ射线，随后γ射线又产生电子和正电子。虽然原始电子必须失去大部分能量，但一个粒子(电子)能变成三个粒子(两个电子和一个正电子)。原始电子的动能转化成粒子质量以及与其他粒子共享的动能。电子是质量最小的粒子。用能量单位表示电子的质量约为500，000电子伏，常写做0.5MeV(1MeV是100万电子伏的能量)。与安德森所发现的宇宙射线中许多电子的动能(好几千MeV)比较起来，这个数值是相当小的。其结果就是，单个宇宙射线电子的能量能转变成许许多多次级粒子的质量。这种轫致辐射和正负电子对产生过程的不断重复，一次又一次地把能量转变成更多的次级粒子的过程，称做级联。由于这种特定类型的级联只包含着电子(通常把正电子与电子看成同一种粒子，只是携带的电荷相反)和γ射线，通常叫做电磁级联或簇射。

宇宙射线簇射(广延空气簇射)的早期研究

　　1927年至1929年，在D·斯科别利兹(Dimitry Skobeltzyn)从俄罗斯访问巴黎期间，奥格尔和斯科别利兹初次发现了簇射存在的证据。之后的整个20世纪30年代，对宇宙射线在地球大气中导致产生簇射的过程进行了研究。簇射显然具有极高的能量，但似乎包含着不属于熟悉的电子、正电子和γ射线的另外组成。这种另外的成分穿透本领更强，作为次级粒子往往在隧道之中或湖泊深处检测到，并时常在云室里见到它的单独而孤立的轨迹。这种粒子必定有某种不同之处，肯定是新粒子。在尚未找到恰当称呼以前，先标以X粒子。1936年，密立根宇宙射线研究组证实，抵达地面的确实主要是两种独特的单个带电粒子群：一种是电子，另一种是X粒子。当年，该研究组的密立根和在宇宙射线研究上做出贡献的黑斯获得了诺贝尔奖，并向斯德哥尔摩致意。他评论道，这种具有高穿透本领的粒子"虽然并非自由正电子和电子"，很可能是一种需要进一步研究的重要物质。确实是如此

1935年，一个十分无关的进展导致对这种粒子身份论证的错误概念。日本理论家汤川秀树(Hideki Yukawa)提出，为了说明把原子核中的粒子聚拢在一起的核力(当今已知属于强作用力)的本性，需要有一类新粒子。直到那时，还没有提出任何有关核力的有效理论。汤川秀树的理论需要存在一种质量处于电子与质子之间的粒子。就在两年之后，S·内德梅耶(Seth Neddermeyer)和安德森在宇宙射线云室实验中检验出，X粒子的质量约为200个电子的质量。于是普遍认为，这种粒子就是汤川秀树预言过的那种粒子。根据质量介于电子与质子之间的特征，取名介子。然而，我们将看到把宇宙射线中的介子也卷入强核力之中是不正确的。核力理论所需要的粒子是直到数年以后才发现的π介子。随着时间的推移，这种云室粒子重新被命名为μ介子，当今已简化为μ子。现在μ子已不再划归介子类。

　　奇怪的是，似乎μ子在大气中被吸收的速率比在实验室测出的被吸收速率更高。有人提出，这可能是由于μ子在通过空气时的很长路程中，某些μ子产生衰变的结果。1939年肯定了这个结论。在实验室中，当μ子的速度接近光速时，发现它的寿命(1940年罗西首先作了这种测定)很短(只有2微秒)，按理推算μ子只能行进不到1千米。但实际上μ子很容易穿过好几千米厚的空气直达地面。罗西认为这正是爱因斯坦相对论的时间膨胀的例证。自从1905年狭义相对论提出以来，这还是破天荒第一次在实验上证实了时间膨胀效应。快速运动中的μ子的表观寿命所以会延长，只是因为其运动速度接近光速的缘故

随后的重要问题是这些μ子与电磁级联是什么关系。云室中见到的μ子强度似乎并不像电磁粒子那样随高度变化。这就提示着这些μ子的起源并不受紧密束缚。P·奥格尔(Pierre Auger)和他的法国同事们觉得，观测到的电磁粒子庞大群体可能就是由高空大气中的初级粒子(假定是电子)激发出来的电磁级联的最后阶段。他们提出的图像是，因为所有粒子与本身的静止质量比较起来都具有极高的能量，致使其速度都接近光速，所以基本粒子级联的飞驰旅行几乎是同时穿过大气。另一方面，粒子在每次与空气原子或电子相互作用时，都会以杂乱的方式被推向旁边一点(由带电粒子的电场引起，故称作库伦散射)，其结果是簇射向旁边扩展成一个薄盘的形状。由于这样的结构，于是就把这种现象命名为广延空气簇射(EAS)。开始曾叫做奥格尔簇射。 
　　奥格尔和他的同事们在云室中见过这种簇射，但再大的云室也不足一米，不可能扩大到很大的范围。而像盖革计数器这种电子计数器却能水平放置成"符合"运行的方式，当两个或更多计数器在同一时间检测到簇射时，电子线路就能识别，这些粒子必定来自同一次簇射。间隔半米以上水平放置计数器作符合检测的实验早已做过，已看出符合率随着计数器放置间隔的逐渐增大而很快减小的现象。罗西1933年到东非作东西效应观测操作时或许已经首先见到这一效应。他曾报告说"没有时间对这一现象再作进一步研究"。奥格尔发现，把计数器的放置间隔一直连续增大到300米，仍做出了符合记录!当前符合率已减小了1000倍，但仍然没有显出停止的迹象。

看来簇射似乎是由来自空间的宇宙射线粒子在大气高层引发的。在地面上用盖革计数器和云室观测到的簇射，其中包含着电子、正电子和μ子。据推测，这些粒子是由宇宙射线粒子与大气原子相互作用产生的。初级宇宙射线先是与空气原子作用产生μ子，簇射中电子和正电子是随后在电磁级联中相继产生的。可是，簇射理论提到，电磁级联不应扩展到比几十米更远处，所以对观测到的大范围侧向扩展现象必须另作解释。出现了穿透能力很强的μ子，看来就是答案。μ子是惟一能穿透厚厚的岩石和水层的粒子。直线穿过大气层对它来说非常容易。这种μ子如果在大气高层产生后，以与级联主体的方向成很小的角度射来。抵达地面时将落到离簇射中心区很远的地点。例如，一粒从约10公里高空射出来仅与簇射方向成1度偏角的μ子，抵达地面时会落到离簇射中心(即核心)超过150米远的地点。我们这里给出的宇宙射线簇射图像是，一个中心高能核心加上电磁成分和μ子成份的组合物。距簇射中心数十米以内主要是电磁成分，而簇射中最重要的μ子成分散落到外围更远的地方。

　　奥格尔完成的这项研究工作给出一个使人震惊的结果，就是他计算出整个簇射的能量大得惊人。从理论推断和云室测定的证实，一次簇射中每个粒子有几千万电子伏的平均能量。由于奥格尔从符合测量知道了粒子的数目如何随距簇射中心的远近而变化，所以他能估算出一次大的簇射能包含的粒子总数。原来这些大簇射每次竟包含100万颗或者更多的粒子。于是，整个簇射的能量至少达到100万(粒子数)个1000万(每个粒子的平均能量)电子伏。计算结果并未扣除簇射穿过大气损失的能量。已知这个损失值是上述计算结果的1/10到1%。就这样，奥格尔测得了当时无法接受的来自宇宙的高能粒子能量，而且差不多找到了某些关于它们存在的解释。比较起来，光学天文学用到的光子能量才1电子伏，这要比宇宙射线的能量小1000万亿倍。稍后，我们将阐述当今已经知道的在某些天体上能使粒子达到这样高能量的若干机制。许多加速机制确实会存在，但是当前我们尚不能指出，以哪种解释为主来说明大自然能把单个粒子加速到前述那个最高能量。

粒子物理和宇宙射线

　　就二次世界大战开始时人们所知道的宇宙射线现象来说，只需要用很少几种类型粒子就足以作出解释。它们就是核子(质子和中子)、电子(包括它的反粒子正电子)、γ射线、中微子以及μ子。理论上还需要有介子，它是抗拒质子正电荷间相互排斥，使原子核结合在一起的强作用力。因为必须提供很强的核子胶合剂，这就意味着介子在其间所起的作用必定极强。假如介子从原来的宇宙射线原子核相互作用中释放出来，必将极强烈地再与空气的原子核相互作用。其结果就是，介子在原子核之外的环境下寿命应该很短暂。

　　遗憾的是，在宇宙射线簇射中观测到的μ子(当年把它当成了这种介子)显然具有较长的寿命，在扣除了因相对论效应而延长的寿命时间后，它们在衰变前仍然有足够的时间抵达地面。可见担负强作用力任务的介子必定与簇射中检测到的μ子不是同一种粒子。

　　利用不断进步的观测技术，为了对宇宙射线所提供的μ子和其他高能粒子特性进一步理解，仍在继续进行着不懈的探索。当云室由其他检测仪器触发运转时，由于它的高效率曾经成为强有力的研究工具。有一段时间，照相乳胶的使用成为粒子物理学中给出新发现的得力技术。这种方法是第二次世界大战刚结束后不久由英国布里斯托大学的C·包威尔(Cecil Powell)首先设计的。这项技术的工作过程是，在高能粒子穿过乳胶(类似照相机中胶片上的乳胶)时，路径记录便留在乳胶中，胶片经过显影轨迹就显现出来

当前，一项有关技术正用在辐射工作工人的受辐射监视上，他们的工作服上携带着一个胶片徽章，它能对辐射曝光剂量作累积记录。照相乳胶包含着相当重的原子核，能作为与粒子相互作用的有效靶子。不过，在使用胶片时，还间或需要几件辅助仪器设备，当乳胶技术用在粒子物理的研究时，其显影工作和显微镜查看工作都是专门技术。核技术胶片上用的是厚乳胶，所以能把宇宙射线相互作用的图像较完整的记录下来。当把胶片带到高空时，就受宇宙射线作用而曝光，那里宇宙射线级联中仍然存在很多高能量粒子。(有些本身是初级粒子)。观测场所可能是高山地面站，或者把仪器设备负载在气球或火箭上。二战后的一段时间，英国布里斯托大学曾成为这项工作的麦加圣地。采用核乳胶技术获得的一项巨大成果是，1947年找到了第二种类型的"介子"。

　　这种被命名为π介子的新粒子，是高能相互作用中产生的，它很快就衰变成次级粒子-μ子。科学家发现，这类真正的汤川秀树粒子共有三种，一种带正电荷，一种带负电荷，一种是中性的。正π介子和负π介子衰变后，产生了簇射中的正μ子和负μ子。中性π介子衰变后，几乎即刻就变成了γ射线粒子对。在簇射中，是这些γ射线粒子引发了电磁级联。一切均已齐备。圆满说明观测到的宇宙射线特性所必需的粒子集体已经齐全。

　　现在，我们对来自空间的宇宙射线有了一个形象的理解，其主要组成是带正电的原子核(质子、氦核等)。它们携带的巨大能量分布在很宽的能量范围。其中任何击中大气的粒子，与空气原子核相互作用后，就产生π介子。荷电π介子在极短的时间内衰变成高能μ子，μ子能贯穿大气直抵地面。中性π介子几乎立即衰变成γ射线，γ射线引起电磁级联。虽然每次级联的寿命相对很短，但随着原始粒子在大气中的深入行进，继续不断地损耗能量而一次又一次地引起更进一步的电磁级联。结果就在地面上出现了电磁级联形成的μ子、电子、正电子以及γ射线粒子的粒子混合。这种轰击还可能有一个从原始宇宙射线遗迹保留下来的中心高能核心。

第三章　宇宙射线及其所在的宇宙 
 

　　地面上遇到的"宇宙射线"粒子并不是从遥远星系长途运动到来的原始粒子。它们是由初级粒子的能量产生的"次级"宇宙射线。这些次级宇宙射线出现在穿过大气的复杂的粒子级联中。以粒子簇射形式出现的这种级联，揭示有关初级宇宙射线的大量特性。已知能量最大的单个初级宇宙射线粒子具有50焦耳的能量，它相应于在大约一秒钟里从一个光球发出的功率：虽然不是测量到很多个，但对于单个粒子来说能量确实是极其巨大的。遗憾的是，如此高能量宇宙射线的到达率极小，典型的测量数值为每平方千米每世纪以数个粒子计。不过，较低能量的宇宙射线却数量很大，最低能量的更是密度高。例如，当我们在地面高度时，每秒钟会有100个低能量宇宙射线粒子穿过我们的身体。

　　宇宙射线的研究已变成天体物理学的重要领域。尽管宇宙射线的起源至今未能确定，人们已普遍认为对宇宙射线的研究能获得宇宙绝大部分奇特环境中有关过程的大量信息：射电星系、类星体以及围绕中子星和黑洞由流入物质形成的沸腾转动的吸积盘的知识。我们对这些天体物理学客体的理解还很粗浅，当今宇宙射线研究的主要推动力是渴望了解大自然为什么在这些天体上能产生如此超常能量的粒子。

初级宇宙辐射由荷电粒子构成是这项研究工作的基本障碍。荷电粒子不像几乎全部其他天文学研究领域中以各种方式利用的光粒子，荷电粒子会被弥漫在整个宇宙的磁场弯曲转向。结果是几乎各种情况的荷电宇宙射线粒子都不带有起源处方向的信息记录，使我们无法作位置天文学的探索。对宇宙射线到达方向的测量研究会获得宇宙磁场的有用信息，但对认证宇宙射线的起源用处很少。

　　然而，我们已经观测到宇宙射线强度的增加与太阳耀斑发生的时间相同，所以我们得知有些最低能量的宇宙射线来源于太阳上的爆发活动。由于射电天文学家观测到射电波由超新星或超新星遗迹中的高能宇宙射线产生，所以较高能量的宇宙射线粒子的被加速可能与超新星爆发有关。至于探讨最高能量宇宙射线，我们必须关注宇宙中最不寻常的天体来推测宇宙射线的起源。因此，宇宙射线天体物理学包含着许多最壮观的天文现象和天文学"动物园"中很多不寻常的成员。为了理解宇宙射线的重要意义需要对这个"动物园"的特性范围(range)进行探索。这是一场大灾变在其中扮演重要角色的戏剧。活动星系、超新星和中子星统统朦胧扮演上场。请允许我们在深入探讨这片未知领域之前，首先考察一番整个宇宙的现代图像。

我们在宇宙中所处的位置

　　我们的太阳坐落在一个巨大旋涡星系的偏向一边的地方。这个星系就是银河系。它是一个聚集着1000亿颗恒星，直径达8万光年的圆饼状结构。银河系的构造很有趣，中心部分稍微鼓胀，四五条旋臂形成星系的旋涡形状。天文学家已经测出这个星系在绕着中心转动。太阳沿其轨道旋转一圈须用去2亿年，运行的速度快得难以令人置信，竟高达每秒钟230千米。银河系是一个看来普通的星系，它包含着各个生命阶段的恒星。许许多多新的恒星正在旋臂中孕育形成，那里仍然有充足的气体和尘埃，不断成为种子物质。另外，星系的中心呈现出发红的老恒星过剩的样子，表明星系中心比外围区域恒星开始形成的更早些。

　　天文学家于1918年测定了太阳和地球在银河系中的位置。仅仅几年之后，他们就开始看到更加广阔的景象。20世纪20年代早期，美国天文学家V·M·斯莱弗(Vesto Melvin Slipher)发现了星系的"红移"，开创了宇宙大小尺度的研究。当时普遍认为大多数恒星都属于我们银河系。天空中现在已知是另外星系的那些暗弱的小小斑点，当时也认为是属于银河系的部分。把它们称作星云，混同于超新星爆发后留下的云状物，以为它们同恒星养殖场有联系。例如，由于不知道实际的距离而把和我们相邻的仙女座星系认为是仙女座星云。但为什么产生红移呢?1842年，奥地利物理学家克里斯琴·多普勒(Christian Doppler)首先描述了现今以他名字命名的效应。随着列车开近，列车鸣笛声调变高。这种我们熟悉的现象是由于运动中的声源，使声波压紧而造成的。压紧的声波波长缩短而频率增高或声调升高。列车离去时产生相反的效应——拉疏的声波使频率减小或声调降低。频率改变的量级直接联系着列车的速度。这就是多普勒效应。光源的运动也会观察到这种效应。斯利弗在从星云射来的光线中探寻着多普勒效应。