十年坐等宇宙线 阿根廷天文台前程未卜

如果大自然足够爱我们，如果在这些超高能宇宙射线周围有足够多的质子，并且从它们那里获得足够多的数据，我们可能会找到这些射线的来源。

皮埃尔·奥格天文台有点“突然”位于阿根廷西部的黄色草原上。

资料来源:Katia Moskvitch

阿根廷的pierre ogg天文台已经花了将近10年的时间寻找超高能宇宙射线的踪迹，但是到目前为止什么也没有找到。今天，这个天文台面临着不可预测的命运。

圆柱形的罐子突兀地矗立在阿根廷西部多风的大草原上，周围是黄色的杂草和多刺的荆棘。如果顶部没有“鸟形”太阳能电池板和天线，与成人胸部齐平的塑料罐可以被视为普通的储物罐。

环顾四周，越来越多的白色储存罐逐渐映入眼帘，沐浴在远处安第斯山脉背后的猩红夕阳中。“有些人认为储罐会影响天气:他们控制这里的雨、雪和干旱。”土地所有者安塞尔莫·弗朗西斯科·杰克说，“但我知道他们不会。他们的目标是捕捉宇宙射线。”

杰克是对的。有1600个这样的储罐分布在3000平方公里的草原上，占地面积超过了卢森堡的国土面积。所有的储存罐一起组成了pierre ogg天文台:一个耗资5300万美元的实验项目，旨在揭示超高能宇宙射线的神秘起源，这是迄今为止最活跃的亚原子粒子。

尽管这个项目规模巨大，但似乎仍然“无用”。经过近10年的搜寻，它确实发现了几十条超高能宇宙射线，但仍未能解开其起源之谜。"作为一种探测设备，天文台的工作条件确实和我们预期的一样好."伊利诺伊州芝加哥大学的退休天体物理学家詹姆斯·克罗宁(James Cronin)表示，该项目是其合作者之一。然而，由于这些粒子似乎来自四面八方，研究人员只能依靠几个粒子群来寻找它们的起源。"因此，这类项目的实验结果只能在天上取得."

现在，Og天文台研究小组希望通过升级天文台和提高分辨率来解决这个问题。由物理学家在Og天文台成立的委员会也提出了五个设计方案，供支持天文阵列的赞助商在11月选择。但问题是他们可能会有意想不到的第六种选择。“我甚至不敢考虑最坏的情况。天文台可能会关闭。”ogg天文台的物理学家和项目副经理Ingo Allekotte说。

升级奥美需要大约1500万美元的额外投资，有些人说这不如在其他地方消费好。“尽管Og的建立非常有意义，但不幸的是，这也是一场赌博，许多人并不理解。”西雅图华盛顿大学的物理学家Eric Adelberger说。“宇宙射线物理学的发现至今很少，进展出奇的缓慢。或许是时候改变这种状况了。”

据Og的支持者称，如果天文台关闭，这不仅是科学研究的损失，也是阿根廷的损失。阿根廷布宜诺斯艾利斯大学物理系系主任巴勃罗·米尼尼(Pablo Mininni)表示，天文学的旗舰项目不仅对科学研究有意义，还将激励人们，尤其是年轻人，了解天体物理学，并吸引他们从事这一领域的工作。"如此大的工程需要向前看，向后看，不断发展."他说。

一个非常规的家伙

一个多世纪前，物理学家了解到地球不断地被宇宙中的各种粒子“轰击”。按照当前粒子物理学的标准，这些粒子的大部分所拥有的能量甚至令人惊讶。迄今为止最强大的人工粒子加速器，瑞士日内瓦附近的大型强子碰撞加速器(LHC)将很快获得7万亿伏特(1012电子伏)的粒子，但宇宙射线粒子的电子伏是这个数字的数百倍。

大多数这些粒子被认为是质子，而其他较轻的原子核来自太阳系以外的遥远空间，可能是大型天体或超新星爆炸的产物。然而，宇宙射线以1018电子伏或更高的速度撞击地球大气层的可能性非常小。历史上最强能量的记录——即1991年19日在犹他州发现的“上帝粒子”是3×1020电子伏，大约是LHC的4000万倍。因此，出现了一个难题:数值计算表明，超新星爆炸后膨胀产生的冲击波不能将带电粒子加速到1017电子伏。没有人知道什么样的物理过程可以加速粒子到更高的能量，或者那些粒子是什么。

1992年，克罗宁计划进行另一次探索，他因在粒子相互作用领域的研究而获得了1980年诺贝尔物理学奖。他和英国利兹大学的艾伦·沃森、法国巴黎大学的缪拉·波拉特夫和玛丽·居里着手建造一座天文台，希望它能探测到足够多的超高能宇宙射线来回答上述问题。他们随机排列的1600个探测器反映了关于宇宙射线粒子起源的两个基本问题。首先，宇宙射线极其罕见，尽管每秒每立方厘米出现几个能量较低的“同类”粒子。能量越大，它们隐藏得越深。当能量达到2010电子伏时，宇宙射线通量将小于每平方公里每世纪1次。因此，探测设备越多，研究人员就越有可能探测到它们的踪迹。

第二个基本问题是来自星际空间的“主要”宇宙射线从未到达表面。相反，它们会与高层大气中的气体分子碰撞，碰撞后产生大量的光子、电子、正电子、介子和其他产物，然后与其他气体分子碰撞。其结果是一个“空气簇射”:一组沿着原始宇宙射线路径汇聚的低能粒子。这需要大范围的探测设备，只有当它们撞击地面以恢复粒子的原始能量和方向时，它们才能捕捉到足够的空气簇射粒子。在这一过程中，物理学家计划在天文台周围安排四个荧光望远镜组，扫描天空，勾勒出空气簇射撕裂大气层时粒子产生的蓝光和紫外光流。

因为法国物理学家皮埃尔·Og在1938年发现了空气淋浴现象，三位科学家以他的名字命名了这个天文项目。他们还敲开了世界各地的大门，邀请了一群高级物理学家加入他们的研究。反过来，这些物理学家利用他们的关系向各国*申请财政支持。该项目得到了美国、意大利、德国、法国、阿根廷和其他一些国家的财政支持。与此同时，该项目得到了当时的阿根廷总统卡洛斯·梅内姆的大力支持，他承诺赞助1000万美元并将该项目带到阿根廷。

空气吹淋室

Og天文台首批154台天文探测器于2004年1月1日投入使用，其余探测器于2008年项目完成后投入使用。每个塑料罐装12，000升纯净水。当空气簇射粒子经过时，它们会产生一束光。它们还连接到可以测量这些光束的光电池上。罐子上的天线可以将测量数据传输到阿根廷马拉居的天文台总部，数据将被传输到世界各地的350名研究人员进行分析。

他们在第一个十年收集的数据产生了许多有争议的结果。例如，一些线索表明，许多高能射线是重核，如铁核，而不是更常见的质子。"对许多人来说，这是一个意想不到的结果。"Og的发言人、德国伍珀塔尔大学的物理学家卡尔·海因茨·卡姆珀特说。如果这些是真的，它可能会发现一些与神秘的粒子加速机制有关的重要线索。它还可能威胁并摧毁Og的核心任务:在星际磁场的影响下，重核比质子更容易转动，这可以使粒子的方向变得随机，使科学家无法追踪宇宙射线的来源。

然而，自2007年以来，这些担忧似乎已经消退。研究人员分析了天文台在过去3.5年中收集的27条宇宙射线，并表示这些射线更有可能来自附近星系超大质量黑洞所在的空间。这意味着这些粒子通过一些与超大质量黑洞相关的机制被加速到超高能。这一发现宣布后，一些媒体报道说宇宙射线的神秘起源问题终于解决了。

但是问题还没有解决。随着时间的发展和数据的积累，宇宙射线的起源和黑洞之间的相关性变得越来越弱。最后，研究人员不得不承认他们没有发现任何宇宙射线源。哈佛大学的天体物理学家阿维·勒布说:“在这篇文章于2007年发表之前，奥格天文学家应该更加谨慎。”

但是奥美物理学家认为等待是没有意义的。"我们已经给出了观察到的重要数据，所以科学家们都知道如何测量结果."Og团队的成员、阿根廷巴尔塞罗研究所的物理学家埃斯特万·鲁利特说，“科学界收集数据非常重要。”

大规模升级

然而，这个难题还没有解决，Og的团队希望通过升级设备来解决这个僵局。Og团队成员、阿根廷国家原子能委员会物理学家阿尔韦托·埃切戈延(Alberto Etchegoyen)表示，未来的基本策略是对每一个主要的宇宙射线群进行更详细的测量，然后从较重的粒子中找到相对未偏转的质子。“如果大自然足够爱我们，如果这些超高能宇宙射线周围有足够多的质子，并从它们那里获得足够多的数据，我们可能会找到这些射线的来源。”他说。

目前，奥格的荧光望远镜仍在观察宇宙射线，观察每个空气簇射是如何膨胀的，以及能量在穿过大气层时是如何储存的。然而，这些望远镜只能在晴朗无月的夜晚工作，这大大减少了观测时间。因此，Og的团队希望能够通过观察空气簇射的内部来计算介子:一种寿命非常短的粒子，其性质类似于重电子。因为当较重的宇宙射线粒子碰撞时，空气簇射更有可能产生大量介子，它们的浓缩程度可以告诉俄歇物理学家碰撞产生的主要粒子是质子还是重核。(李冯公主)

中国科学新闻(2014-10-14第三版国际版)

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