沟通微观和宏观世界的重要桥梁——宇宙线物理学

自从宇宙线发现七十多年来,它为人类认识微观和宏观世界作出了重大贡献．在高能加速器问世以前,宇宙线作为唯一的高能粒子源对微观世界的研究曾有过一系列的重大发现：如正电子、μ子、电磁级联过程、核级联过程、广．延大气级联现象、介子、Ｋ介子和超子等等,从而开辟了粒子物理这门重要的前沿学科．直至现在,宇宙线研究仍然起着“尖兵”探路的作用．另一方面,从宇苗线发现之日起,一直推动着天体物理和地球物理的发展．?...     

超高能宇宙γ射线所提出的疑问

在五十年代以前的二十多年里,几乎所有的新粒子都是首先从宇宙线中发现的.只是随着具有GeV能量和更高能量的加速器的相继建成,高能物理学家才逐渐把注意力转向加速器实验. 近几年建立起来的一系列新的超高能宇宙线粒子探测器已观测到从一些“点源”发射来的能量高于1015eV的高能宇宙线粒子.而在此之前人们还从未探测到能量高于1012eV的从点源发出的宇宙线粒子. 观测到从点源发出的超高能宇宙线粒子无疑会有助于解开七十多年来未能解决的宇宙线起源之谜.更重要的是,对这一系列观测进行分析得出的结果还向物理学家提出了一系列疑问. 高能原…     

高能中微子与宇宙线的多信使研究

 宇宙线是来自地球之外的高能带电粒子，约99%为原子核，1%为电子。此外，在传播过程中，宇宙线通过与星际介质作用，产生少量次级核子及反质子、正电子等次级宇宙线粒子。宇宙线的发现始于1912年，迄今为止观测到的宇宙线粒子的最高能量已达到3×10²⁰电子伏特，是最大的粒子加速器LHC （large hadron collider）所能加速粒子能量的千万倍。但宇宙线的起源至今仍是未知之谜^①。近些年研究表明，高能宇宙线应来自于宇宙中的天体，因而宇宙线研究属天体物理和粒子物理的交叉学科^②。     

探测到位于银心的“暗”宇宙线源

宇宙线是来自外层空间不断轰击地球大气层的高能粒子．自从1912年奥地利科学家赫斯(victor F．Hess)发现此天外来客以来，90多年过去了，至今，天体物理学家仍不清楚能量极高的宇宙线来自何处以及它们是怎样被加速到如此高的能量的，但科学家们相信宇宙线的加速机制与极高能量γ射线的产生是有关联的．     

银河系宇宙线的超新星遗迹起源学说

 20世纪初，随着人们对空气电离度测量精度的不断提高，大气电离现象被普遍观测到并被归因于放射性元素衰变产生的高能辐射。1911~1913年奥地利物理学家维克托·赫斯（Victor Franz Hess）通过一系列高空气球实验发现了来自外太空的可以导致空气电离的辐射--宇宙线^①，他也因此获得了来自于河外高能天体源。能量低于109eV （1GeV）的宇宙线由于受太阳风的影响，很难到达地球附近。由太阳活动产生的高能粒子的能量通常也低于1 GeV⑦，因此在地球附近观测到的能量低于1 GeV的高能粒子主要产生于太阳系。虽然银河系中很多高能天体都可以产生宇宙线，但是超新星遗迹被普遍认为是最主要的银河系宇宙线源。这就是所谓的银河系宇宙线的超新星遗迹起源学说。1936年的诺贝尔物理学奖（图1（a））。20世纪30年代，人们通过对来自地球东西方向宇宙线流量不对称性的分析，逐渐认识到它们主要是由带正电的高能粒子组成，受地球磁场影响，来自西方的宇宙线流量更高。后来的一系列研究表明，99%的宇宙线是原子核，其中约10%为α粒子即氦核，更重的原子核占1%左右。考虑到宇宙线的高流量，1934年巴德（W.Baade）和兹维基（F.Zwicky）指出，它们可能来自于超新星爆发^②。由于宇宙线粒子带电，在星际介质中传播时将受到星际磁场的影响，因此地球附近观测到的宇宙线空间分布几乎是各向同性的，这也导致我们无法通过对宇宙线的成像观测来确定宇宙线源。但是宇宙线可以和背景等离子体相互作用产生从射电到伽马射线的电磁辐射，随着射电天文、X射线天文、伽马射线天文的发展，人们不仅发现了超新星爆发产生宇宙线的观测证据，还发现了其他一些可以产生宇宙线的高能天体^③~⑥。     

银河系宇宙线的超新星遗迹起源学说

20世纪初,随着人们对空气电离度测量精度的不断提高,大气电离现象被普遍观测到并被归因于放射性元素衰变产生的高能辐射。1911~1913年奥地利物理学家维克托·赫斯（Victor Franz Hess）通过一系列高空气球实验发现了来自外太空的可以导致空气电离的辐射——宇宙线^①,他也因此获得了来自于河外高能天体源。能量低于109eV （1GeV）的宇宙线由于受太阳风的影响,很难到达地球附近。由太阳活动产生的高能粒子的能量通常也低于1 GeV⑦,因此在地球附近观测到的能量低于1 GeV的高能粒子主要产生于太阳系。虽然银河系中很多高能天体都可以产生宇宙线,但是超新星遗迹被普遍认为是最主要的银河系宇宙线源。这就是所谓的银河系宇宙线的超新星遗迹起源学说。1936年的诺贝尔物理学奖（图1（a））。20世纪30年代,人们通过对来自地球东西方向宇宙线流量不对称性的分析,逐渐认识到它们主要是由带正电的高能粒子组成,受地球磁场影响,来自西方的宇宙线流量更高。后来的一系列研究表明,99%的宇宙线是原子核,其中约10%为α粒子即氦核,更重的原子核占1%左右。考虑到宇宙线的高流量,1934年巴德（W.Baade）和兹维基（F.Zwicky）指出,它们可能来自于超新星爆发^②。由于宇宙线粒子带电,在星际介质中传播时将受到星际磁场的影响,因此地球附近观测到的宇宙线空间分布几乎是各向同性的,这也导致我们无法通过对宇宙线的成像观测来确定宇宙线源。但是宇宙线可以和背景等离子体相互作用产生从射电到伽马射线的电磁辐射,随着射电天文、X射线天文、伽马射线天文的发展,人们不仅发现了超新星爆发产生宇宙线的观测证据,还发现了其他一些可以产生宇宙线的高能天体^③~⑥。     

宇宙线电荷正负问题

通过前几期的宇宙线发现之旅,我们已经知道了原初宇宙线是来自外太空的高能粒子,它们从宇宙深处以接近光速的速度朝我们飞来,各个方向都有。绝大多数是带电粒子,包含太阳宇宙线(能量<100GeV),银河系宇宙线(100 GeV~100 PeV)和能量大于100 PeV来自银河系以外的极高能宇宙线。原初宇宙线粒子到达海拔高度约30 km的时候开始与地球大气发生相互作用,产生广延大气簇射。因此,我们在地面上探测到的是次级宇宙线粒子,主要有伽马光子、电子、缪子等。我们用什么方法来判断这些原初宇宙线电荷的正负呢?它们的成分又是怎样的呢?这正是本期我们要探索的问题。     

近地空间宇宙线荷电粒子暴与地震的关联

 从宇宙线早期研究中,已经观测到它的强度有1日,27日和11年的周期变化,这与太阳的调制过程有关。同时也观测到因气象原因引起宇宙线强度的变化,如温度,气压和季节效应。随着科学技术的飞速发展,特别是用各种各样的航天器运载探测器研究大气外层空间的宇宙线瞬间变化,得到一些有意义的结果。太阳照射到地球大气层顶部的电磁辐射能流为10¹⁰erg·m^-2·s-1,而宇宙线粒子总能流约要比它低八个量级,似乎可以忽略不计。但宇宙线穿过大气层损失绝大部分能量,产生正负离子,它们是形成云雾水珠的凝结核,也能触发雷暴和闪电,对大气层中很多物理过程都有影响。     

宇宙线研究进展评述与展望

近年来,宇宙线探测技术发展迅速,天基和地基宇宙线实验均取得了多项重要成果,打破了宇宙线研究领域多年来的沉寂．多手段复合观测是精确测量宇宙线能谱和成分的必要途径,甚高能伽玛射线天文学成为探索宇宙线起源这一世纪之谜的最有效手段．高海拔宇宙线观测站(LHAASO)计划将以最高的超高能伽玛射线探测灵敏度和甚高能伽玛射线巡天灵敏度以及最宽的宇宙线能量覆盖范围探索领域的基本问题．     

高能探测器的发展状况

一、引言高能物理学包括实验和理论两部分．高能物理实验研究所用的工具包括粒子源（加速器和宇宙线）、探测器和数据分析处理设备．因此,在考虑高能物理学的发展时,不能不研究高能探测器的问题[１］．高能探测器是以能记录每个能量很高的粒子为特征的．因此,它们应当有好的记录效率（一般要求１００％）,高的空间分辨本领（能分辨小于２毫米直到几微米）,短的死时间（小于１秒直到１０～（－９）秒）和其他的要求很高的特....     

高能中微子与宇宙线的多信使研究

<正>宇宙线是来自地球之外的高能带电粒子,约99%为原子核,1%为电子。此外,在传播过程中,宇宙线通过与星际介质作用,产生少量次级核子及反质子、正电子等次级宇宙线粒子。宇宙线的发现始于1912年,迄今为止观测到的宇宙线粒子的最高能量已达到3×1020电子伏特,是最大的粒子加速器LHC     

向您推荐《高能物理》科普杂志

《高能物理》是一份介绍微观世界,特别是粒子物理知识的专业科学普及刊物. 《高能物理》主要刊登内容为:粒子物理与核物理的基本理论、实验和研究方法、当今最新成果的介绍; 高能加速器及高能实验中心;宇宙线高能物理、宇宙线天体物理;有关粒子物理与核物理的科学史、科学家的伟大成就及他们的治学精神;高能物理与核物理在国民经济中的最新应用及应用前景……. 《高能物理》内容丰富、形式多样、它不仅宣传高能物理本身的科学知识,并向纵横发展.纵的方面,从原子物理→原子核物理→高能物理→超高能物理→……(即原子→原子核→基本粒子→层…     

超新星遗迹与LHAASO

 宇宙线的起源作为科学难题已经长达一个世纪。近年随着GeV、TeV伽马射线天文望远镜的发展，探测到了一批高能和甚高能伽马射线超新星遗迹（Supernovae Remnant，SNR），表明超新星遗迹的电磁辐射，不仅从低频射电波段跨越到X射线波段，而且延伸至伽马射线波段，是宇宙中重要的伽马射线源。频率跨度如此之大的电磁辐射，科学家们用以研究各种天文物理过程，如恒星晚期演化与核合成，激波动力学，相对论性粒子高能辐射，高能粒子加速、传播等等。特别是，超新星遗迹被普遍推测为银河系内主要的宇宙线加速源。为了确证对超新星遗迹或其他高能天体这样的推测，深入探索宇宙线的有关机理，必须建造下一代更灵敏的伽马射线望远镜，在更高的能段投入观测。超新星遗迹也因此成为LHAASO项目的重要探测目标。     

超高能宇宙线

宇宙线是以接近于光速在空间穿行的粒子，这些粒子大多是质子，有时是重原子核．在地面探测到的一些宇宙线来源于宇宙里发生的剧烈事件，如超新星爆发．但我们至今仍不知道曾经探测到的自然界中最高能量粒子的来源．     

超新星遗迹与LHAASO

宇宙线的起源作为科学难题已经长达一个世纪。近年随着GeV、TeV伽马射线天文望远镜的发展,探测到了一批高能和甚高能伽马射线超新星遗迹（Supernovae Remnant,SNR）,表明超新星遗迹的电磁辐射,不仅从低频射电波段跨越到X射线波段,而且延伸至伽马射线波段,是宇宙中重要的伽马射线源。频率跨度如此之大的电磁辐射,科学家们用以研究各种天文物理过程,如恒星晚期演化与核合成,激波动力学,相对论性粒子高能辐射,高能粒子加速、传播等等。特别是,超新星遗迹被普遍推测为银河系内主要的宇宙线加速源。为了确证对超新星遗迹或其他高能天体这样的推测,深入探索宇宙线的有关机理,必须建造下一代更灵敏的伽马射线望远镜,在更高的能段投入观测。超新星遗迹也因此成为LHAASO项目的重要探测目标。     

宇宙线天体物理中的几个重要问题

宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子流,研究宇宙线的起源、加速、传播机制及其所涉及的天体物理和宇宙学过程是宇宙线天体物理研究的重要内容。本文介绍并讨论其中几个涉及物理学一些基本问题的重要课题的研究现状及前景,其中包括极高能宇宙线的观测研究,太阳中微子能谱的实时测量,宇宙线中新粒子的搜寻等。     

水桶中的宇宙线

在我们“真空”的宇宙中,时刻在飞行着各种高能粒子(各种原子核、电子、伽马光子等),我们称之为原初宇宙线。通过“重走宇宙线发现之旅”系列课程《宇宙线发现之旅”》《有多少宇宙线穿过我们的身体》《电离之谜》,我们已经知道,当它们飞向我们的地球时,在高空会与地球大气的氮、氧等原子核碰撞,产生很多次级粒子,次级粒子再碰撞产生更多的次级粒子,这一过程叫广延大气簇射。这些次级粒子中短寿命的如π、K介子等很快衰变,γ光子和电子也很快将能量损失殆尽,在到达人类生活的海平面高度的时候,宇宙线次级粒子的主要成分就变成了寿命相对长、能量损失小的缪子(μ子)。     

近年的宇宙线物理研究

本文在介绍宇宙线物理研究的一般情况之后，侧重介绍近年来对超高能粒子物理、甚高能和超高能的宇宙γ源、宇宙中微子和宇宙暗物质的研究情况．     

1015eV附近初级宇宙线能谱指数的测量

本文介绍一个通过测量高能宇宙线初级粒子在广延大气簇射中发射的切伦柯夫光脉冲来确定初级宇宙线能谱的方法和装置. 给出了在能量范围2.9×10¹⁴－4.0×10¹⁵eV内,初级宇宙线积分能谱幂指数γ=1.80±0.11.     

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