PDF《极高能宇宙线带来 的挑战 与机 遇》

极高能宇宙线带来的挑战与机遇 徐仁新 ( 北 京大学物理学院 , 北京

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1 ) 摘要 : 简要地从观 测和 理 论两 方面叙述 了极 高能 宇宙线 ( U H E C R ) 研究 的进展状况 .

讨论 了宇宙线 中存在奇异滴的 可 能性及相关 问题 .

一、引言 : 作为高能物理 前沿 的宇宙线 基于微观粒子的波粒二 象性得到的 H i e s e 川姆很 不确定性关系告诉我们 : 物质更深层次结构 的探测依赖于波包长度更短的粒子 ;

这就需要更高能的粒子或环境 . 在加速器物理 时代来临 之前 , 天然宇宙线提供的高能粒子功不可 灭.例如 , 通过宇宙线的研究 ,

19 37 年 A川加r S

0 n 和Nedd e m r e y e r 发 现林 子、一94

7 年Powell 发现代 介子 、

1947 年Roehe s e t r 和Butle r 发现奇异粒子 . 加速器提供 的高通量 粒子 流确 实有效地克服 了宇宙线研究的不 足,导致人 们 能够较好 地理解 了描述 粒子间 强相互 作用的量 子 色动力 学(Qc D ) . 然而 , 加 速器所能达 到的极 限能量 终归是 有限的 . 更高能的获取 和 研究还 得回到天 然的宇宙实验室 . 极高能宇宙线 ( U H C E R ) 就是在 极端的天 体环 境中产生 的能量超过一

1 0 Ee v ( I E e v =

1 0

3 e P v =

1 0 呱v =

1 0 , v e ) 的粒子 . 目.前观测到的最高能宇宙线粒子 能量 为300Eev,为当今加速器所能达到能量的一 1夕倍 ! 犬体物理 通过 分析和 研究天体所发射粒子携带 的信 息来研究发生在相应天体上的物理 过程.尽管光子 ( 电磁波 ) 观测是 目前天体物理家获取信息的最主要手段 , 中微子 、 宇宙线粒 子(p、a、n,等)、引力波等所携带 的物理信息也不容忽略 . 因此 , 宇宙线研究亦可广义地 看作天体物理的一 部分 . 由此 可见,宇宙线不 仅能够为我们 弥补地面 高能实验 的不足 , 也是人们 了解宇宙极端环 境 中高能 物理 过程 的 重要 信息携带者 . 关于它的研 究显然是 高能物理 的前沿 . 特别是 U H EC R 的 成分和起源 的研 究,势必加深 人们对基 本物理 规律 的理解 , 也有可 能揭示出某些新物理 . 近 年来 , 关于 U H E C R 的观测与理论研究非常活跃 : 有关的中文综述性 文献可 以参阅马宇倩等 (

19 9

8 ) 、 吴 飞等 (

2 0

03 ) 、 王 新等 (

20 04 ) , 等等 .

二、极高能宇宙线 的观 测 宇宙线具有幂率谱 , 能量 E 处 单位能段的流量 双习戈 f a . 在~EePv处,谱变陡: 幂指数 从一 .

2 7 转变为一

3 .

1 . 这 一特征 称为宇宙线能谱的 膝 .而当五沁EeV处,谱又 变得较平 : 该处称为宇宙 线能 谱的 躁 .因电荷 数Z粒子位于磁场 B 、 尺度 L 的宇宙环 境中能够被加速得到 的最 大可 能能量 百而 、 一ZBL,一般认 为:膝区 以下 的宇宙线起源于银 河系内超新星遗迹 , 高于 膝区能量的宇宙线源于 星 系尺 度上 的加速过程 , 躁区 以上 的粒子是河外起源的 . 上世 纪六 十年代发现 了宇宙普遍存在着温度较低的背景黑体辐射光子场 . 已经 精确测量 得一18一 到背景光子场温 度,为2.72

5 士0 . o

0 1K ;

即其光子平均能量为一

1 0 飞v , 数密度为碑o o c / m

3 . 在 微波背景辐射发现后不 久,oeris e n (

196 6 ) 、 2滋s t e p m 和 K理叮i n n (

196 6 ) 就意识到宇宙线并非 在 真空 中传播 . 他们提 出了一 种宇宙线流量高能截断的机制 : 即目前人们所称 G Z K 截断 .卜面以质子 为例简要地说明这一效应 . 质 子是 宇 宙线 的主 要成 分,由于质 子 的质量大约为 o r g e v , 当宇宙线中质子 的 能量 高于 一10'