走進宇宙射線研究

走進宇宙射線研究

近代物理的兩大基石是相對論和量子力學，前者試圖描述主宰著廣袤宇宙的力量，後者揭示了微觀世界的變幻無窮。而宇宙射線的研究便是這兩個學科的結合——高能粒子從遙遠的天體一路狂奔到地球。小編在這裡為大家簡單地科普一下宇宙射線相關知識。

宇宙射線藝術圖

宇宙射線是在1912年由奧地利物理學家維克托·赫斯發現。1911~1912年間，赫斯用氣球搭載電離室飛行至距離地面 5千米的高空，發現了氣體的電離度隨海拔高度升高而增加的現象，並最終得出結論：有來自地球外部空間的高能射線不斷打到地球上來。後來密立根等人把這種穿透力極強的射線命名為宇宙射線。

奧地利科學家維克托·赫斯

人們通過對宇宙射線的研究發現了一系列重要的成果： 1932 年安德森用雲霧室在宇宙射線中認證並找到了狄拉克理論所預言的正電子，隨後，科學家們又逐漸在宇宙射線中找到了其他的標準模型中的基本粒子，例如繆子等。可以說，宇宙射線為早期的粒子物理研究提供了極大的幫助。

無處不在的宇宙射線

宇宙射線本質上是來自宇宙空間的高能微觀粒子，主要由核子構成，其中包括約87%質子，12%α粒子，以及少量鋰、鈹、硼和碳﹑氮﹑氧的原子核﹐還有極少量的重元素原子核，以及電子、伽馬射線和中微子等。

穿越星海與地球相遇

宇宙線分為原初宇宙線和次級宇宙線。原初宇宙線是指沒有和大氣發生相互作用的宇宙線，而次級宇宙線則是原初宇宙線與大氣中原子核發生相互作用產生的次級粒子為主。一般來講，除了中微子，到達地面的宇宙線幾乎都是次級宇宙線。而次級粒子會進一步產生三級粒子，並還會進一步散射，這種現象被稱為廣延大氣簇射、因此，宇宙射線的探測也主要有空間探測和地面探測。其中，空間探測主要是靠衛星進行探測，而地面探測主要是使用地面探測器，並通過探測宇宙射線的次級粒子來重建原初宇宙射線的方向和能量。

廣延大氣簇射

目前宇宙射線的研究領域有兩個主要難題，即宇宙射線的起源問題和加速問題。目前，關於宇宙射線的起源，有超新星遺迹等多種假設。

宇宙射線傳播到地球，帶電和不帶電的粒子會走不同的路線

在，宇宙射線的研究在多所高校和研究所展開，目前，高能物理所、四川大學、西南交通大學、西藏大學等都開設了相關的研究所方向。而由高能物理所負責的西藏羊八井宇宙射線探測器陣列，是目前世界上世界上海拔最高，最有活力和發展前景的、最先進的宇宙射線探測基地之一。這片台地天氣晴朗，交通便利，非常有利於研究的開展。升級之後新聯合實驗圍繞一個核心問題，即「探索宇宙射線的起源、加速和傳播」。另外，未來的研究還可以與空間衛星配合，從而與空間實驗對接，實現地面的高精度宇宙射線的觀測。可以說，宇宙射線的研究大有前景，也需要更多青年才俊投身其中！

宇宙射線探測器陣列，圖片來自高能所官網

配圖：王紀堯 | 校對：葉君耀

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