中的高能粒子 作者:[澳]罗杰·柯莱-第16章
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如果用两只蝇眼观看同一个簇射，每只能确定自己的一个簇射检则器平面。采用快速分析程序，使两个平面相交出一条直线就能很快地确定簇射轴线的空间位置。对簇射进行立体观测所确定的簇射轴位置更加精确，这是因为不再只是根据光电倍增管的点燃时间，而这个时间的准确性往往受反射镜不完善等问题的影响。经过对簇射轴估算的改进，加上用双蝇眼观测取得的簇射展开曲线，于是就得到了更好的初级宇宙射线能量表述。从1985年以来，这两台检测装置在犹他州西部的荒漠地区采用双眼立体观测的办法观测到许多簇射。为卡西迪及其研究组积累了很大的一套精良的簇射测量资料。不过，能用双眼立体观测方法检测的簇射还需要具备稍特殊的几何特点，另外的许多簇射资料是只用原来的蝇眼Ⅰ取得的。在探索不可思议的宇宙射线带来的更多信息时，〃双眼〃观测数据和〃单眼〃观测数据有着不同的用途。
Akeno（明野）巨型空气簇射阵列
在讨论蝇眼和同类其他大型装置发现了一些什么之前，需要先说说最近巨型阵列的运转情况。1975年，若干个日本的大学在以Akeno（明野）农区为基地的一系列初次建立从未有过的更大实验中开始工作。这个地方在东京以西200千米。随着阵列的由小到大，从1984年的1平方千米至20平方千米，到1991年的100平方千米，观测站在视野和重要性方面也由小变大。当前，这是以往建成的最大地面阵列，是人们见过的世界上最大的科学实验。按照传统地面阵列，100平方千米的Akeno巨型空气簇射阵列AGASA，使用了100多个塑料闪烁检测器，用来测量到达地面的空气簇射。另外还有一套（30台）混凝土覆盖着的附加检测器，是为测量簇射产生的贯穿力很强的μ子成分而建造的。
在半农村式的Akeno地区，实验者们既享福又受苦。一方面，把检测器安置在牧场中部和城镇住宅后院需要商谈的技巧，而林斯利在火山牧场或卡西迪在达格威就不需要进行商谈。另一方面，道路网和电力线等基础设施已经存在，使得对检测器提供能源和服务变得容易，甚至能把每个检测器都用光纤与中心数据收集站连结起来。AGASA检测器当前是一套最先进的仪器设备，这套地面阵列具有无与伦比的灵敏度和多种功能。它曾取得几项重大发现，而且仍然具有另外5年到10年的运转寿命。下面我们就要描述它的某些发现。中心问题十分明确，这些宇宙射线是什么？它们是从哪里来的？
对最高能宇宙射线我们知道了什么？
进行了30年测量之后，值得注意的一个仍旧未变的情况是，还是没找到最高能粒子到达的显著优势方向。林斯利在火山牧场阵列首先提出这个结果，但是为了进一步证实这个结果许多研究组继续勤奋地工作了二十来年。早年所期望的银河系平面上会成为这种粒子源点燃着的灯塔的那种景像并没有发生。从银河方向来的宇宙射线和从天空任何其他方向来的同样多。换句话说，看来到达方向的各向同性的程度很高。这种局面之所以能引起人们的兴趣正是由于感到它不可理解！如果宇宙射线确实是在我们自己这个星系以内加速到巨大能量的，那么预期在银河方向上就会看到较多事例。这就得设想，宇宙射线在最高能量情况下星系磁场对它的路径作用很弱，它基本上按直线行进。或许我们所掌握的磁场强度是错误的，或者我们关于宇宙射线在其轨道上所带电荷的认识是错误的，我们将要看到这都不大可能。而另一方面，或许这种粒子是由我们星系以外产生的，我们希望在星系间的宇宙空间磁场更弱，这样在粒子通过非常大的距离时，路径应当比较直。然后我们就能预期看到高能粒子从天空所有方向以相同的概率抵达我们这里吗？答案是大概不会如此。
下面的说法肯定没错：假如你用一架威力很大的光学望远镜指向天空的任何部分，你的视野中必然出现星系。它或者是像我们银河系这样的正常星系，或者是强大的射电星系或类星体。这些天体在天空的分布是相当均匀的。假如宇宙射线是从这类天体的一小部分中产生的，我们不是就看见空中任何方向都出现宇宙射线了吗？是的，应该是这样，但是在没有基本微波背景的情况下才会是这样，然而这种大爆炸遗迹却一直存在着。它使我们想起，这种辐射在高能宇宙射线粒子能在宇宙空间行进多远距离上所设置的限制，实际上所设置的是一个很严的限制。据估算高能宇宙射线粒子最远约只能行进3亿光年的距离，而大多数粒子都走不了这样远。我们通过望远镜所看到的大部分星系都比这一距离更远，而邻近我们的星系在天空的排列分布明显成团成群很不均匀。我们一直没能见到成群宇宙射线抵达方向的类似分布，这一事实似乎结束了简单的银河系外起源模型。看起来似乎是，无论银河系起源还是银河系外星系起源，这类简单设想的模型都回答不了宇宙射线起源的完整过程。最大可能是，两种起源的混合才是起源的真实情景，确实各种观测实验结果也都支持宇宙射线的混合起源理论。
我们在前面看到，多年进行基本测量实验的成果之一是取得了宇宙射线能谱。该能谱标志着在每个能量数值上测量到的宇宙射线相对数量，从能谱上看到随能量数值增大宇宙射线粒子数目急速减少。当能量按因数10增大时，高过那个能量后宇宙射线的数量约按因数100减少。在很宽的能量范围内从丰富的低能量宇宙射线一直到能量再高1000万倍的宇宙射线，这个拇指规律都极为准确。另一个表述的说法是这个能谱曲线图显然平淡无奇，只是在我们熟知的平滑能谱上出现轻微的偏离。在各种巨型阵列以及蝇眼所测量的能量范围，在3×10^18eV左右能谱的外形特征是斜率有显著变化。这一能量以上能谱曲线下降趋于缓慢。其外形已知像〃踝〃的样子。所有观测实验都测量出这个同样的形状。但这段位置的最优秀图像是蝇眼研究组于1993年在其观测研究结果中公布的，其中发表了以立体观测模式汇集的详细数据。
蝇眼所提供的结果，因其独特而使人兴奋。清楚的踝形图像在这段能量范围与宇宙射线能量测量到的结果相互印证。从蝇眼的角度统观整个簇射的展开，就能把初级宇宙射线的质量划分为轻粒子（如质子和氦核）、中等粒子（如碳或氧核）和重粒子（例如铁核）。根据簇射在大气中达到最大尺度穿过的大气深度就能取得这个分类结果。从前已经提到，重初级粒子引发的簇射展开得十分快，与质子簇射比较起来，达到最大尺度时进入大气较浅。如果你考虑到铁核是56个质子和中子紧紧捆绑在一起的重颗粒，它的行为就很容易理解了。当一颗携带着能量E的宇宙射线铁粒子进入大气与一个空气分子发生碰撞时，56个质子和中子就从碰撞火球中立即释放出来。每个粒子带去约E/56大小的一份能量，随后每个粒子又都引发一个次级簇射。每个次级簇射只分到初始能量的一小部分，展开得十分快，全部空气簇射是这些次级簇射的总和。对比来看，携带能量E的质子，在引发单簇射后达到最大尺度须经过较长时间。就这样，立体蝇眼阵列根据〃最大尺度的深度〃为簇射作了分类。据此，犹他科学家找到了簇射粒子能量与能谱踝形曲线部分的相关性。
这个成果于1993年发表在很有声望的科学期刊《物理学评论通讯》上，引起了天体物理学领域许多人的关注。犹他州研究组还发现，宇宙射线粒子的典型质量随着能量由10^18eV左右的较低能量增大到10^19eV的较高能量而变化，这个变化是逐步的。在较低能量处重粒子（像铁核）有显著的百分比，而逐步变化到在最高能量处轻粒子（主要是质子）成为主要组成。宇宙射线质量的这一变化发生在能谱的踝形处这同一能量区上其意义导至许多推测。犹他州研究组提出一个非常简单的解释。基本想法是，宇宙射线射来的低能部分起源于我们银河系以内，高能部分来自银河系以外。两种起源很像是提供了两种不同的组成，各自会有自己与另一个不一样的能谱形状。陡峭的低能量能谱直接加上较平坦的银河系外起源的宇宙射线能谱就得到观测到的有着踝形特征的合成曲线图。因为质子能够很好地胜任在星系际空间遥远距离上的旅行，所以在模型中粒子射来的高能部分看到以质子占优势是很合理的。像铁核这样的重宇宙射线粒子可能就是那些较远的星系产生的，但是它们较容易与充满整个空间的星光光子通过碰撞分裂成碎片（最终分裂成质子和中子）。
这个简单的理论，对最高能量宇宙射线的能谱和质量特性给出一定的解释，对于它们到达方向的均匀性也说得通。我们心中有了这幅图像就不再期望银河系平面是宇宙射线的主要到达方向了。尽管绝大部分较低能量的重粒子是我们星系中产生的，它们在穿过星系磁场时其路径也严重扭曲了（比质子所带电荷多26倍的铁核，通过复杂的星系磁场时也形成了弯曲复杂的路径，很容易出现从其发射源相反的方向到达地球的情况，甚至比10^18eV能量还高的粒子也会发生这种情况）。在最高能量上，质子宇宙射线不是在银河系中起源的，所以到达方向不是银河系。该模型假定银河系外宇宙射线源是均匀分布的，于是最高能量宇宙射线的到达方向也是均匀分布的。这里并没有指明那些银河系外宇宙射线源的本性或能谱中较低能量处的我们星系中宇宙射线源的本性。但作为出发点，因为同所取得的各种观测实验结果符合得很好，所以这个简单的图像极为诱人。
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□ ＇澳＇罗杰·柯莱等/著 车宝印/译
第八章 最高能宇宙射线和蝇眼（二）
巨星系与极小的自旋恒星
这个宇宙射线起源模型假定，既有银河系宇宙射线源也有银河系外星系宇宙射线源，但没有提出任何理由！至今没有人提出使人信服的解释，说明恒星、脉冲星、黑洞或整个星系，如何能把粒子加速到观测到的宇宙射线最高能量。我们知道，能够对粒子加速的源必须具备某些条件，但是看来候选源似乎都不能完全满足这些要求。这听起来像是对宇宙射线科研界的过分责备。不过许多人认识到，这儿正是吸引人们去努力追求的最迷人领域之一。宇宙射线天体物理学家相信，他们正处在即将揭露某些意料不到的惊人事物的边缘！诺贝尔奖获得者物理学家理查德·费曼1973年评论说：……在每件事物都被包装得完美无缺……所有实验都相互严格一致，并与理论符合时……人们将学不到任何东西！而另一方向，当实验之间矛盾重重——或者当观测结果按传统观念不可理解，或者当所有模型似乎都没有效果时……人们实际上正在前进，一次突破就在跟前等待着人们！
费曼说的是以实验室为基地的粒子物理学，但他的言论确实对处于最高能宇宙射线境况下的人们给予启示。
带电粒子的加速既需要磁场也需要电场。在天文环境中电场可能是由于某种方式的电荷分离产生的。如果由于什么原因，在一大块体积范围内，全部正电荷和负电荷分离开来，就产生了巨大的电势差（或电压），于是形成了强大的电场。这时带正电荷的云所释放的质子被带负电荷的云的强大引力所吸引，于是粒子被加速而获得很大的能量。不过，不存在电场的话，从道理来说，磁场也能使粒子加速。
我们早已知道，磁场能对带电粒子的运动路径产生作用。如果磁场足够强，其实际作用结果有如一面反射镜，能使粒子完全改变方向。粒子物理学先驱物理学家恩里科·费米（EnricoFermi）在宇宙射线加速方向曾首先提出过一个比较旧但很受重视的想法，似乎能用在包含运动磁场的空间区域。假如一颗宇宙射线粒子被接近中的磁场区反射出去，它将从运动磁场区获得一些能量，从而使速度增加。每一次反射粒子只能积累很少一点能量，所以加速过程极度缓慢。一颗宇宙射线粒子必须在一个运动的磁场泡泡区域中反复弹跳几百万年才能得到足够多的能量。看来似乎是只要时间充分长，宇宙射线就能通过这种费米过程得到任意大的能量。遗憾的是这个过程会突然中止。当粒子能量大到某个量值时，它将不再由磁反射镜反弹出去，无论在什么情况下，最后都会到达这一时刻。这时，粒子会切穿磁势垒，结束这个加速过程。当然这要取决于磁场的强度和尺度。假如在充分大的体积内充满了磁场，则甚至高能粒子最终还是被偏转返回，可能加速过程还得继续下去。
某个具体天文环境是不是宇宙射线经受费米过程加速的适宜场所有一个理论指标，这个指标是平均磁场强度与该区域整体尺度的数字乘积。科学的说法就是，假定平均磁场强度为B，磁场区的直径为D，则B×D的最小值就表征着粒子能被加速达到的具体能量。如果B值很大，或D值很大，或者二者都很大，则能达到充分大的乘积。在所有这些情况下，宇宙射线粒子都会在磁场区逗留充分长的时间，直到加速达到那样巨大的能量。
关于这个B×D规律，首先要说明的是它是费米加速过程的绝对最小能量要求。乘积达不到这个最小值，这一场所就不符合加速过程的要求。特别是要获得较大B×D值，就需要磁场按某种方式运动，而且运动得越快越好。与快速运动的磁场泡碰撞将有更多的能量转移到宇宙射线粒子上。关于能量达到10^20eV的宇宙射线粒子的可能加速场所我们知道些什么？请记住，已经知道这类粒子确实存在，从而它们必定有其被加速的场所。事实是，宇宙间实际上不可能找到能让质子加速到这个必须的BD乘积能量值的场所，即便假定该磁场的运动速度接近光速也还是不行！这就是此时此刻这个理论碰上的根本问题。有两种类型的天体处于有可能担当这个加速场所角色的范围内，其实也都是勉强的解释！一种天体可以从银河系中找到，而另一种天体在银河系外更远的地方。
脉冲星是具有极大磁场的天体样本之一，其磁场要比太阳周围的磁场强大一万亿倍。尽管它们是一种体积奇小的天体（直径只有30千米），但它的BD乘积仍然足够大，使它当之无愧地挤进了可以考虑的10^20eV高能宇宙射线加速场所之内。加速机制确实并不清楚。在宇宙射线从这个狭小的环境逃掉之前，整个加速过程一定是非常快的。无论怎样，脉冲星的磁场（和电场）出奇的强大。在其中存在着特定的加速过程，这至少是可以接受的！
另一个仅有的合理候选源与脉冲星也不会有太大的区别，它由活动星系喷流中的射电热斑构成。这些区域的磁场
