中的高能粒子 作者:[澳]罗杰·柯莱-第15章
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样，其最大方便之处是，在簇射进展中的各阶段自始至终粒子都在发光。这就使得获取簇射的从始至终整个发展过程的某些精确信息成为可能。正像我们已经知道的，这就为我们提供了更多有关原始宇宙射线本性的知识，特别是有关质量方面的信息，它能让我们对能量估算得更准确。契伦科夫光虽然短暂但是很亮，如果碰巧簇射从检测器的正上方到达的话闪光就更亮。不过，因光束很窄不可能从侧面对簇射作观察。50年代楚达科夫认识到，空气簇射中还有另一种向各个方向各向同性发射的光源。如果能用检测器把这种光收集起来，只要足够多就有可能从旁边甚至远处对簇射进行监视，不需要为了看到簇射而使检测器放置在其正下方。楚达科夫清楚地看到，这就开启了在地面上利用相对较小的检测器在很大的面积上查看簇射的大门。
一只简单的萤光管使楚达科夫受到启发。当电流流经管内两电极之间时，电子与气体分子发生碰撞，把分子中的电子激发到高能态。同那些受激电子一样，在回到其平常状态时，过剩能量以光子的形式释放出来。这便是荧光过程或闪烁现象。楚达科夫指出，宇宙射线空气簇射就如同电流——它产生出运动带电粒子，主要以电子和正电子的形式穿过空气。如同许多好想法一样，当楚达科夫竭力要从1956年作的小型试探实验中检测空气簇射发出的荧光时，并没有出现荧光，由簇射发射到侧面的光确实十分微弱。
可是楚达科夫的工作引起了东京大学须贺（K。Suga）以及格雷森的兴趣，他们在60年代初独立地分别对这个课题进行了探讨。格雷森的一位名叫A·邦纳（Alan Bunner）的毕业学生，自从成为NASA的上层管理人员起，就接受了一项在空气组成中寻找发射荧光的成分的任务。他还打算测出所有各种发射的强度。这项尝试要求一些细致的在实验室完成的实验：使快速电子束通过压力和温度逐渐改变的柜中空气，模拟簇射粒子穿过大气层。从典型的空气簇射在地面以上10千米至15千米处开始产生，邦纳就需要从头模拟那里寒冷和稀疏的对流层大气，一直模拟到地面附近我们熟悉的气压和气温。他证实了大多数有用的荧光源起始于分子氮的若干个激发态N2。氮是大气中最丰富的气体。它发射的光刚刚超出可见光谱的兰端，已进入近紫外区。遗憾的是，邦纳发现这种光只能发射得非常的微弱，这就说明了楚达科夫早先失败的原因。邦纳见到，每颗快速电子在空气中行进1米只能发出四五个光子的紫外光。使人们感到意外的是所发射的荧光总量与空气压力和温度的联系并不特别紧密。高压强空气并不像人们可能期望的那样会产生较强的荧光。这是因为在较稠密的空气中会更多地产生邻近气体分子间的碰撞，而这种碰撞会在分子有机会发射光子之前就把受激发原子的能量除去。格雷森在邦纳和一群毕业生的协助下，开始把这些知识派上了很好的用场。他们在1967年建造了真正的第一台蝇眼检测器。
康乃尔的科学家建造了一座有多种颜色由25个侧面构成的建筑物，看起来更像是儿童游戏馆而不是严肃的天体物理观测台！其中16个侧面均嵌有500毫米直径的窗户，它们实际上是收集并汇聚来自空气簇射的荧光的透镜。当人们看到建筑物内的大量电缆与电子仪器设备时，准会忘掉它的儿童游戏馆外形。观测台以内有16套比窗口稍小的特定结构，一共安装着505个电光倍增管，它们通过透镜凝视着天空等待搜集微弱的闪光。这套建造构思模仿蝇眼的光学系统，设计成使每个光电管都盯住一块特定的夜空。从505个光电倍增管传来的电信号分别显示在由505面示波屏幕组成的各自屏幕上，当光电倍增管的一组电子线路检测到宇宙射线信号时，显示屏上的信号图像就适时地被拍照下来。通过这种方法就把天空的每个〃象素〃非常便利地展现了出来。那些学生们常常耗费很长时间，从成百上千卷照相记录胶片中凝视搜寻确实可信的宇宙射线事例。
格雷森和他的学生们期望发现空气簇射的印记。它由开始出现在指向高空的某一光电倍增管显示屏上的光信号构成，随即相继通过一连串其他象素。在当时的技术条件下，这确实是一项艰巨的任务，格雷森把高能物理学研究新领域中的经验运用到尽力检测暗弱簇射的工作上。这项任务可以比作，对一个只有5瓦的蓝光小灯泡以光速猛烈冲过大气的过程进行检测！令人遗憾的是，格雷森的研究组从未搜寻到认为确实可信的这类事例。他们因缺乏廉价的电子仪器设备和缺乏廉价的大型光线汇集装置而导致失败。无论如何，设计思想是正确的。在康乃尔，有一位名叫乔治·卡西迪（George Cassiday）的年轻毕业生，当时正从事一项另外的实验，那是一个比较传统的高能物理加速器实验。但是，他深受论证巨大宇宙加速器存在可能性的激励，并对格雷森的成功和最后失败给予极大的关注。
蝇眼的犹他州版本
1970年卡西迪迁移到盐湖城，到犹他大学做博士后研究工作。他除了在J·柯费尔（Jack Keuffel）领导的宇宙射线研究组从事他所喜爱的智力活动外，还能参与他毕生感兴趣的各项户外活动，从长跑和徒步走直到滑雪和激流游泳。甚至当前依然经常见到卡西迪在盐湖城大街上进行半局马拉松长跑。在这个摩门教影响很深的州和城市，由于他的幽默感使他保持着清醒的头脑。他对敲门传教的摩门传教士的回应是敬他们一杯啤酒，通过这一行动明确地表示他对来访者的欢迎，他们通常也接受这种祝愿。
柯费尔研究组的专长是探测来自空气簇射的高能μ子相互作用。他们的大型实验是在靠近历史名镇公园城（Park City）的银矿矿井中进行的。这个历史名镇当今由于成为R·莱德福德（Robert Redford）一年一度主持兴办的太阳舞蹈（Sun dance）电影节的会址而更加闻名。这个研究组的兴趣集中在高能μ子怎样与检测器上方的岩层发生相互作用，而不是在初级宇宙射线的天体物理学探索。就像在高能粒子物理学领域早先的许多先驱者那样，他们乘来自宇宙加速器的粒子束之便进行研究。但在1972年，卡西迪省悟到，用蝇眼这样的检测器有可能把天体物理学的研究和粒子物理学的研究结合起来。他说服柯费尔，使他相信格雷森的想法需要进一步试验，并立即投入为期一年的设计研究。进行了一系列计算和计算机模拟以后，卡西迪深信，如果采用更加先进的现代高速电子仪器，则格雷森的想法是可行的。到了1975年，这个研究组得到了政府的资助，于是开始新的试验。非常不幸，就在那同一年，柯费尔在一次爬山运动中死于心脏病，卡西迪失去了他最伟大的良师益友，但他有能力担当起这个研究组的领导工作，能把蝇眼计划引向成功的结局。
卡西迪认为，新的蝇眼装置除了需要更好的电子仪器之外，还需要更大的光收集器。为了把更多的来自夜空的微弱光汇聚到光电倍增管组件上，把格雷森检测器的0。5米直径的透镜换成了1。5米直径的曲面反射镜。不过新检测器的特性还与原来的检测器一样，每一个光电倍增管都监视一个惟一的天空单元面积（或象素）。因为政府资助代理机构想要证明新的设计概念要比先前的好得多，于是卡西迪和他的研究组把几个反射镜和几件原型电部件带到林斯利的火山牧场阵列的所在地，新墨西哥的阿尔布科克（Albuquerque）。这时正值新墨西哥的晴朗夜晚时期，在监视天空的阵列中又加之以他们的检测器，共同等待着大型空气簇射的到来。开始有过几次失败，但后来在林斯利的检测器上检测到簇射粒子的同时，实验者们也欣喜地检测到了荧光。这不仅是符合测量的一次成功，而且卡西迪和林斯利共同认为，两种技术在地面高度上所确定的簇射尺度相同，达到了优于10％的精度。
这些激动人心的结果使得对整个计划的资助有了保证。这时恰好是为蝇眼选定永久站址的好时机。在盐湖城的西边大约140千米的地方，就在头盖骨山谷（Skull Valley）印第安人保留地的近旁，设置着巨大的美国陆军达格威（Dugway）实验基地。该基地已建立50多年，覆盖着犹他州西北角的重要部分。达格威对于卡西迪研究组确实能提供一些方便。举一个例子来说，这里有发电站和其他基础设施，虽在一个偏僻的荒芜地区，却远离了足以使灵敏的光电倍增管陷入困境的城市灯光。有军队的安全防护更不必担心野蛮行为的侵扰。这个地址惟一的缺点是，偶然的军事演习会使得科学家们每年有几天不能顺利到达站址。1977年，整个〃蝇眼〃结构在小花岗岩山（Little Granite Mountain）的山顶开始建造。它是一座130米高的小山，在小山顶上观看，四周的荒漠和稍远的群山一览无余，景色壮丽。犹他研究组建造了67个反射镜单元，在每个反射镜的焦平面上安装着一个由12只或者14只光电倍增管组成的组件。把反射镜的指向设计成：全部880只光电倍增管的每一只监视着夜空不同的一块5度直径的六角形部分。反射镜安装在2。1米直径的波纹铁管的一端，很像一个大储水桶。夜晚在操作开始时，马达旋转拖动反射镜筒使每个反射镜都朝向指定的天空部分。白天时，为了保护仪器设备和使光电倍增管不受气候和强烈日光的照射，要把反射镜指向大地。
最初的犹他州蝇眼检测器采用67台反射镜汇集夜空图像，每台反射境包含着一丛光电倍增管。这里图形中每个六角形象素代表着一只光电倍增管的视野。当一串光电倍增管看见一个光信号时，就是检测到一次空气簇射，就像图中画成黑色的象素所显示的那样。
也和检测来自空气簇射的契伦科夫光类似，蝇眼受夜晚的天光和天气的限制，它每个月的观测时间只限于晴朗无月的夜晚。由于那里气候条件好，可用于观测的时间每年都长达18％。不过在实施中，蝇眼的运作时间只是12％，其运行时间的减少因技术上采用巨大的覆盖面积而得到补偿。蝇眼能监视到的大气体积从小花岗岩山伸展到20千米。所以，这样一套1000平方千米覆盖面积和监视时间为一年的12％的系统，其灵敏度相当于覆盖面积为120平方千米并监测时间为一年的100％的地面阵列。
在蝇眼的控制室中，在计算机和20个两米高的电子仪器架近旁竖立着一个蓝色的塑料半球。在检测器夜晚运作的时间里，这个特殊物件吸引着蝇眼操作者的注意也引起参观者的兴趣。这个装在墙壁上的半球的直径约有一米半，代表着蝇眼上方的夜空半球。镶嵌在塑料半球上的880个红色小灯泡代表着880个光电倍增管所监视的天空方向。每当蝇眼检测到一次空气簇射，这一事件就会用红光重新在半球上演示出来。操作者看见一串红光在向前运动，它指明簇射通过大气的路径。为了使演示能适应人类的视力以便看得清楚，显示时把簇射在路径上行进的速度放慢了100万倍！同时，全部光电倍增管监视簇射所获得的数据信息，包括闪光强度、到达时间，都由计算机记录下来。抵达时间能测到一亿分之五秒的精度。
光电倍增管〃点火〃时的指向信息和点火时间的信息随后用于簇射轴位置的确定，簇射轴是簇射在空间沿着它发生和展开的一条假想线。知道了簇射轴和沿轴各个位置上看到的闪光总数量，就能计算出簇射发展的所有阶段共产生了多少粒子。蝇眼直接测出称作〃展开曲线〃的这种独有能力，是它的主要特长，这就使得犹他科学家实现了用直接了当的办法估算出原始宇宙射线能量的愿望。展开曲线还为他们提供了出色的掌握有关粒子质量的办法。在每晚的运行操作中，操作者能通过注视演示光的闪现，可以确信不时发出闪光的美丽簇射在正平稳地激起检测器在正常运作。人们不时会因看到显示器上拼写出表明簇射的文字而倍感惊喜！还是由卡西迪偶然想到的，利用计算机的运作把偶然出现的闪烁变成可以理解的消息，并能经常引起人们惊喜，特别是能让那些习惯卡西迪式世俗幽默的操作者们感到高兴！
正当发现蝇眼看不见20千米以外的空气簇射微弱的荧光时，这个检测装置却看见另外的更加遥远的光源。还在建设期间，有一个夜晚，卡西迪打开新的一组碰巧指向北方地平线的反射镜。突然发生了让他感到极其讨厌的现象，他发现检测器中的好几百个光电倍增管以15秒的间歇时间很规则的被点燃。卡西迪和他的同事们跑到室外去看那个方向上想像中的光源，但是什么也没看见。后来的几个夜晚仍继续进行检测，并且把反射镜的位置尽量调到更准确的指向，终于看到有个跳动的东西奔向想像中的光源。最后，科学家们发现，原来在距蝇眼100千米以外的大盐湖岸边，矗立着一座国际冶铅公司的冶炼厂大烟囱，顶端安装着飞机预警频闪灯！这家公司并不在规定关掉灯光的范围内，于是卡西迪不得不设计一套电子线路，按照每15秒的规律把那个干扰信号放在蝇眼的时间盲区里。（后来，因铅市场萧条，冶炼厂停产，烟囱也就毁掉了。）
后来又在众目睽睽下发现了一个更壮丽的背景光源。从盐湖城CBS转播站来了一帮电视工作者，他们把摄像机架到了蝇眼的控制室，准备在10点钟的新闻节目中把生活图像发回转播站。当显示器上闪起红色灯光时，科学采访员正在论述蝇眼的光显示器的功能，以便指出天空正在出现巨大簇射闪光。犹他大学的科学家们对电视摄像组的采访感到厌烦，有个名叫B·凯第（Bob Cady）的毕业生一改平常沉静拘谨的习惯，泄漏出一条本地电视新闻听不到的消息。于是人们全部冲出室外去看是什么在天空中闪亮，原来是苏联卫星正在陨落以引人注目的景像重新进入大气。
联邦调查局（FBI）盐湖城分部的某个人，那天晚上一定看过第5频道。第二天联邦调查局给大学打电话召请该实验组的一位代表去他们的办公室。他们打算派给蝇眼一个犹他科学家未曾想过的阴险用途，就是对洲际弹道导弹的重新进入大气进行天空监视。FBI特别担心〃另一方〃可能已经认识到蝇眼的优越性能。卡西迪挑选P·吉尔哈迪（Peter Gerhardy）去访问FBI办公室。代理人会见了蝇眼的代表，质问他蝇眼的人是否接近过什么外国来的研究组。吉尔哈迪操着浓重的澳大利亚口音回答说，最近他接触过成群的外来陌生人，不过他们全都是美国人！
蝇眼从1978年建成一直成功地运转到1993年。在运行到一半时间的时候，犹他州科学家又给这个系统增添了第二只眼。称做蝇眼Ⅱ的设施建在从小花岗岩山谷底看刚超过3千米的地点，它由36个反射镜单元构成，只覆盖半个夜空，而且也是在原来蝇眼的覆盖范围以内。这个研究组打算建一处第二站址，而且早已注册登记，但还没有等到国家科学基金的资助。1967年，格雷森明白了对每个簇射都进行立体观测的优越性，而卡西迪研究组正处在可以实现这一想法的位置上。我们知道，计算宇宙射线能量的第一步是，确定簇射在空气中的展开轴线。用单独蝇眼完成这件事首先要标明簇射产生的闪光是从哪个光电倍增管开始的。由于在光显示器半球上的显示，�
