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走进宇宙射线研究

牧夫天文 · 公众号 · 科学 · 2017-06-25 07:43

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走进宇宙射线研究

近代物理的两大基石是相对论和量子力学，前者试图描述主宰着广袤宇宙的力量，后者揭示了微观世界的变幻无穷。而宇宙射线的研究便是这两个学科的结合——高能粒子从遥远的天体一路狂奔到地球。小编在这里为大家简单地科普一下宇宙射线相关知识。

宇宙射线艺术图

宇宙射线是在1912年由奥地利物理学家维克托·赫斯发现。1911~1912年间，赫斯用气球搭载电离室飞行至距离地面 5千米的高空，发现了气体的电离度随海拔高度升高而增加的现象，并最终得出结论：有来自地球外部空间的高能射线不断打到地球上来。后来密立根等人把这种穿透力极强的射线命名为宇宙射线。

奥地利科学家维克托·赫斯

人们通过对宇宙射线的研究发现了一系列重要的成果： 1932 年安德森用云雾室在宇宙射线中认证并找到了狄拉克理论所预言的正电子，随后，科学家们又逐渐在宇宙射线中找到了其他的标准模型中的基本粒子，例如缪子等。可以说，宇宙射线为早期的粒子物理研究提供了极大的帮助。

无处不在的宇宙射线

宇宙射线本质上是来自宇宙空间的高能微观粒子，主要由核子构成，其中包括约87%质子，12%α粒子，以及少量锂、铍、硼和碳﹑氮﹑氧的原子核﹐还有极少量的重元素原子核，以及电子、伽马射线和中微子等。

穿越星海与地球相遇

宇宙线分为原初宇宙线和次级宇宙线。原初宇宙线是指没有和大气发生相互作用的宇宙线，而次级宇宙线则是原初宇宙线与大气中原子核发生相互作用产生的次级粒子为主。一般来讲，除了中微子，到达地面的宇宙线几乎都是次级宇宙线。而次级粒子会进一步产生三级粒子，并还会进一步散射，这种现象被称为广延大气簇射、因此，宇宙射线的探测也主要有空间探测和地面探测。其中，空间探测主要是靠卫星进行探测，而地面探测主要是使用地面探测器，并通过探测宇宙射线的次级粒子来重建原初宇宙射线的方向和能量。

广延大气簇射

目前宇宙射线的研究领域有两个主要难题，即宇宙射线的起源问题和加速问题。目前，关于宇宙射线的起源，有超新星遗迹等多种假设。

宇宙射线传播到地球，带电和不带电的粒子会走不同的路线

在我国，宇宙射线的研究在多所高校和研究所展开，目前，高能物理所、四川大学、西南交通大学、西藏大学等都开设了相关的研究生方向。而由高能物理所负责的西藏羊八井宇宙射线探测器阵列，是目前世界上世界上海拔最高，最有活力和发展前景的、最先进的宇宙射线探测基地之一。这片台地天气晴朗，交通便利，非常有利于研究的开展。升级之后新联合实验围绕一个核心问题，即“探索宇宙射线的起源、加速和传播”。另外，未来的研究还可以与空间卫星配合，从而与空间实验对接，实现地面的高精度宇宙射线的观测。可以说，宇宙射线的研究大有前景，也需要更多青年才俊投身其中！

宇宙射线探测器阵列，图片来自高能所官网

撰文：王纪尧

配图：王纪尧 | 校对：叶君耀

编排：王纪尧

责任编辑：解仁江

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