重走宇宙线发现之旅

左雄中国科学院高能物理研究所一. 大气保护了生命 来自外太空的每秒钟数以兆亿(1014)计的宇宙线在持续地轰击着我们的地球，这些神秘的太空信使同时也将是恶魔般的存在。研究表明，高空飞机上的辐射量是地面的30~60 倍，而近地航天器中的辐射量竟然能高达地面的100~150 倍。离地面越远，也即大气越稀薄的地方将面临更加严重的辐射风险。

地磁场作为第一道屏障，抵挡了绝大多数低能的宇宙线对地球的轰击，但有部分高能宇宙线(>109eV)还是会进入到大气层(图1)。

原初宇宙线在大气中发生广延大气簇射，逐渐转换成较低能的次级粒子，次级粒子随后在大气中损耗，最终到达海平面时约只有每秒每平米160 个粒子，而原初宇宙线在1 GeV附近的流强约为每秒每平米105个粒子。

可以看出，大气层充当了坚实的护盾，使得辐射量降低了近3 个量级。

如果没有大气层的保护，长期暴露在强辐射下的生物DNA和细胞发生不可逆的损害，地球生物承受灭顶之灾。

图1 高能宇宙线轰击地球，在大气中产生广延大气簇射二. 广延大气簇射的发现历程 既然原初宇宙线在大气中发生广延大气簇射的过程这么重要，人们会好奇当初人类是如何发现它的？1912 年奥地利物理学家赫斯宣布发现了来自外太空的穿透辐射——宇宙线，那么当时他以及随后的其他科学家们做的多次实验中观测到的辐射是否就是原初宇宙线信号？另外，簇射这样的概念是怎么形成的？带着这些问题我们去回顾一下当时的探索进程。

1928 年随着云雾室、盖革-米勒计数器(图2(a))和符合测量技术发展，簇射的概念开始被提出。

云雾室中不同的径迹明显来自于同一顶点，即称为属于一个簇射。

1932 年，罗西(意大利物理学家)等人的测量结果表明，粒子的簇射可以被品字形排布的三个盖革计数器符合观测到；1933 年，英国物理学家布拉凯特和意大利物理学家奥基亚利尼观察到了打在云雾室附近的单个高能宇宙线粒子与大气相互作用引发的多粒子径迹(图2(b))，他们称这样倍增过程为showers。

越来越多这样的独立的实验测量清晰地表明，簇射中的粒子有一个共同的源。

图2 盖革-米勒计数器(a)和云雾室粒子径迹照片(b)当时的人们普遍认为空气中测量到的穿透性粒子是原初宇宙线，就是这些粒子通过与空气原子核相互作用产生了簇射。

但很快罗西曲线(图3)的测量表明这种猜想是错误的。

罗西实验用的是三个品字形排布的盖革-米勒计数器，计数器上面加了一层铅板。

这样的排布保证了单个沿直线飞行的粒子无法同时触发所有计数器，即至少要两个粒子才能同时触发三个计数器。

其中一个粒子可能是入射粒子，另一个应该是入射粒子在铅板中产生的次级粒子。

通过加盖不同厚度的铅板，测量符合计数率随铅板厚度的变化曲线。

最初铅板厚度增加时，符合计数率快速上升，即入射粒子在铅板中发生了相互作用从而产生了簇射；随着铅板厚度继续增加，符合计数率又快速减小，表明入射粒子在铅板中被逐渐地吸收。

而大气中的穿透性粒子的能量较高，在铅板中穿透的距离应该是在米量级，不会经过几厘米的衰减就使得其能量和数量发生明显改变。

因此，这个实验的结果表明这些在铅板中引发簇射的入射粒子能量较低，不是之前发现的穿透性粒子。

经过科学家们的不断地研究，目前我们知道这些粒子是原初宇宙线与大气相互作用产生的次级产物中的一部分，如电子和伽马光子。

而穿透性粒子是次级产物中能量较高的部分，如缪子和强子。

图3 罗西曲线及其实验装置图(右上角)而后人们利用多层云雾室在实验室中观测到了簇射发展的过程，更加直观形象。

另外，20 世纪30 年代，量子电动力学的成熟完美地解释了电磁级联发展过程。

除了实验室中簇射观测的进展，早在1933 年，罗西在东非观测东西效应时就发现可能有扩展的粒子簇射到达并同时击中多个计数器，但是当时他没有时间去进一步研究这个有趣的现象。

很可惜，这很可能是人类第一次观测到广延大气簇射，但罗西与首次发现失之交臂了。

1938 年，法国物理学家奥格尔通过在海拔3000 多米的地方进行实验，通过不断改变计数器的间距，测量符合计数率(图4)，发现了原初(来自太空)宇宙线在进入大气时产生具有明显时间与空间效应的“粒子雨”过程，宣布发现了广延大气簇射；进一步测量得到了次级粒子的能量可以高达107 eV以上，结合次级粒子数目的估计可以得到原初宇宙线的能量在1015 eV 以上。

1946 年，还是我们熟悉的那个广延大气簇射研究的先驱罗西，他领导的小组创建了首个探测广延大气簇射的探测器阵列，从而开创了宇宙线研究的新天地。

图4 符合计数随计数器间距的变化。

横坐标为计数器摆放间距，纵坐标为符合计数。

其中黑点是测量值，其他为理论预期三. 什么是广延大气簇射 高能原初宇宙线粒子进入到大气层上空后，与大气层中的原子核碰撞产生次级粒子，然后次级粒子再和空气核相互作用继续产生新的次级粒子，如此往复多次形成级联，最终会产生数目巨大的低能次极粒子，这些次极粒子也以接近光速前进着并且会在大气中横向扩散开来，这些粒子就像一场瞬间(10-9s)粒子“阵雨”一样到达地面，簇射中的粒子数可高达千亿，并且散布在数平方公里的面积上，这样的粒子“阵雨”称为广延大气簇射。

根据原初宇宙线的粒子种类，广延大气簇射可分为电磁级联和强子级联。

原初宇宙线粒子为γ光子或电子时，被称为电磁级联；原初宇宙线为强子时，被称为强子级联。

1.电磁级联：高能电磁级联的物理反应主要是电子对产生和电子的轫致辐射(图5(a))。

原初高能γ光子在大气核子的库仑场中产生正负电子对：γ + (Z,A)→+ + - +(Z,A)图5 电磁级联(a)和强子级联(b)的示意图而正负电子随后又在库仑场中通过韧致辐射产生新的光子：± +(Z,A) → ± + γ + (Z,A)这样的过程会不断地进行，使得光子和正负电子的数目持续地增加，而其能量也相应地减小。

当次级电子的能量降低至临界能量Ec(电子的辐射能损和电离能损相等时的电子能量)时，簇射发展到极大，此后电子的电离能损(不产生新粒子)开始占主导地位，次级粒子数目快速衰减致使簇射走向衰落。

2.强子级联：与电磁级联相比，强子级联在大气中的发展过程更加复杂(图5(b))。

高能强子进入大气后，与大气中的原子核发生强相互作用，产生次级核子和π介子(π ±、π0)，还有少量的κ介子(κ±、κ0)和超子。

这些次级产物中的强子或者继续与空气核发生相互作用，或者发生衰变(部分反应中产生μ子和中微子)，产生更多的次级粒子。

和电磁簇射类似，强子级联也不会无限发展下去。

当次级粒子能量低于产生π介子的阈能(~1 GeV)时，强子簇射达到极大，随后才减少。

广延大气簇射过程中产生的粒子种类众多，最基本的有三种，电子、γ光子和μ子。

其中前两者的数量在广延大气簇射发展极大处附近占比更大，而在海平面处μ子数目占主导。

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