揭秘宇宙线

  所谓宇宙射线,指的是来自于宇宙深处的高能粒子流,携带着宇宙起源、天体演化、太阳活动及地球的空间环境等科学信息,是一种宝贵的科学资源。1912年,德国科学家韦克多·汉斯带着电离室在乘气球升空测定空气电离度的实验中,发现电离室内的电流随海拔升高而变大,从而认定这是来自地球以外的一种穿透性极强的射线所产生的,于是有人为之取名为“宇宙射线”。

  

  宇宙射线的发现 

  奥地利物理学家赫斯(Victor Franz Hess,1883-1964)(右图)是一位气球飞行的业余爱好者。他设计了一套装置,将密闭的电离室吊在气球下。他乘坐气球,将高压电离室带到高空,静电计的指示经过温度补偿直接进行记录。他一共制作了十只侦察气球,每只都装载有2~3台能同时工作的电离室。

  

  1911年,第一只气球升至1070米高,辐射与海平面差不多。1912年,他乘坐的气球升空达5350米。他发现离开地面700米时,电离度有些下降(地面放射性造成的背景减少所致),800米以上似乎略有增加,而后随着气球的上升,电离持续增加。在1400米~2500米之间显然超过海平面的值。在海拔5000米的高空,辐射强度竟为地面的9倍。由于白天和夜间测量结果相同,因此赫斯断定这种射线不是来源于太阳的照射,而是宇宙空间。

 

  

 

  

  赫斯认为应该提出一种新的假说:“这种迄今为止尚不为人知的东西主要在高空发现……它可能是来自太空的穿透辐射。”1912年赫斯在《物理学杂志》发表题为“在7个自由气球飞行中的贯穿辐射”的论文。

  

  赫斯的发现引起了人们的极大兴趣,从那时开始,科学界对宇宙射线的各种效应和起源问题进行了广泛的研究。最初,这种辐射被称为“赫斯辐射”,后来被正式命名为“宇宙射线”。当时,许多物理学家怀疑赫斯的测量,并认为这种大气电离作用不是来自太空,而是起因于地球物理现象,例如组成地壳的某种物质发出的放射性。现在认为,宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子流的总称。

  

  1914年,德国物理学家柯尔霍斯特(Werner Kolhorster,1887-1946)将气球升至9300米,游离电流竟比海平面大50倍,确证了赫斯的判断。

  

  纪念赫斯宇宙线发现百年的意义 

  1912年奥地利科学家赫斯的一次完美气球飞行实验,结束了人们关于空气电离之地面(天然放射性)起源和非地面起源之争论,使人类得知了(业已充斥宇宙百亿年)宇宙射线的存在,人类从此获得了一个新奇的科学宝藏,和一种远强于卢瑟福用以发现原子核的天然放射性粒子炮弹,可以去轰开原子核这个坚固的堡垒去观察基本粒子的大千世界。

  

  此后,自上世纪三十年代起的20多年间,人们使用威尔逊云雾室、电子灵敏核乳胶和GM计数管,连续发现了正电子、μ子、π介子、K介子及Λ、Σ超子等基本粒子,开创了粒子物理学,促进了能产生π和核子的高能加速器的应用(1955)和发展,从而打下了现代天文学和宇宙学的基础(粒子物理成了大爆炸后宇宙及天体演化、元素合成、以恒星内核子锅炉精确推演恒星进化生死的全过程)。所以,宇宙线的发现是人类科学史上的一大里程碑,把人们的视界扩到了粒子层次的微观世界,并把无限小的微观世界与无限大的宇观世界自然地连结了起来。

  

  接着陆续发现的宇宙线的东西效应、纬度效应、太阳调制、太阳高能粒子事件(SEP)等又把宇宙线与地磁场、大气层、太阳活动、日地空间环境联系了起来,使人们从生存和发展的角度具体感受到了宇宙线的存在。宇宙线是个直接联系于最大的宇宙、最小的粒子、最远的过去、最近的此刻、‘咳咳嗽地球就会感冒的’太阳,为地球生命防卫太阳风暴和宇宙线袭击的地球磁场和大气层的‘多面神’。他是我们无法摆脱的、时刻与我们身体亲密接触的‘朋友’,宇宙派遣来的‘天使’,取之不尽的科学‘宝藏’。面对这样的角色,纪念人类与它的百年相识,自然是意义非凡的了。

  

  宇宙线探测方式 

  直接探测法——1014eV以下的宇宙射线,通量足够大,可用面积约在平方公尺左右的粒子探测器,直接探测原始宇宙射线。由于宇宙线与地球大气相互作用, 直接地测量宇宙线便需在大气层外或大气层顶部进行,卫星、空间站和高空气球是常用的工具。直接探测能够比较准确地得到宇宙线信息, 包括成分、能谱等;然而送上天的设备不能太大,这便局限了人类的直接探测能力。

 

 

 

  

  间接探测法——1014eV以上的宇宙射线,由于通量小,必须使用间接测量,分析原始宇宙射线与大气的作用来反推原始宇宙射线的性质。宇宙线和大气发生相互作用产生次级粒子,次级粒子进一步产生三级粒子,并如此发展下去,科学家称之为广延大气簇射。广延大气簇射由法国物理学家奥格尔于1938年发现。西藏羊八井宇宙线观测站,即是利用广延大气簇射探测宇宙线。

  

  大气簇射的荷电成份主要以轻子(电子、缪子)居多,重子最少。探测大气簇射有三种方式:地面(及地下)阵列、大气切伦可夫望远镜、大气荧光望远镜(左图)。

  

  地面(及地下)阵列通常需要多个带电粒子探测器组成,分布于广大的区域,次级粒子才能有充足的取样,可全天候、全日制操作。切伦可夫望远镜可探测由簇射次级粒子产生的切伦可夫光,熒光望远镜可探测簇射带电粒子游离氮气产生的熒光,这两种望远镜只能在晴朗无月的夜间操作且需避开城市光源,平均操作时间只有10%。