捕捉宇宙射線

劉聲遠(yuǎn)

位于阿根廷的皮埃爾·奧格天文臺，花了幾乎十年時間尋找超高能宇宙射線的源頭，卻仍然沒有成效。如今，這座天文臺面臨不確定的未來。這是怎么一回事？

在風(fēng)蕭蕭的阿根廷西部草原上，一個大箱子看起來像是放錯了地方。如果不看它頂部的天線和讓鳥兒穢物污染了的太陽能電池板，這個齊胸高、被青草和荊棘包圍的塑料圓筒就可能被當(dāng)成某種儲物容器。

遠(yuǎn)方，在安第斯山背后落下的太陽，照亮了更多這樣的箱子。一些當(dāng)?shù)厝讼嘈牛@些箱子會影響天氣，帶來更多雨或雪，或者反過來——造成干旱。而在當(dāng)?shù)負(fù)碛幸粔K土地的杰克·弗朗西斯科說：“但我知道它們（指這些箱子）不會（干擾天氣）。我知道它們其實是用來捕捉宇宙射線的。”

杰克說的沒錯。在這里的一片面積為3000平方千米（足以裝下整個盧森堡還有余）的土地上，分布著1600個這樣的箱子。它們共同組成了皮埃爾·奧格天文臺（以下簡稱奧格天文臺）。這座天文臺的實質(zhì)是一項耗資5300萬美元的實驗，目的是揭示超高能宇宙射線——迄今已知能量最強(qiáng)的亞原子微?！纳衩貋碓?。

盡管這個實驗的規(guī)模宏大，奧格天文臺卻遠(yuǎn)未實現(xiàn)科學(xué)家們的期望。經(jīng)過近十年的“捕獵”后，它的確觀測到了幾十次超高能量的宇宙射線，卻未能破解它們的來源之謎。實際上，作為一部探測器，奧格天文臺的工作效率比期望值還高了一倍。但超高能宇宙射線看起來似乎來自于整個天空，而且沒有什么集中模式，因此科學(xué)家很難確定它們的源頭。這恐怕就是奧格天文臺無法大顯身手的根本緣由。

現(xiàn)在，奧格團(tuán)隊把希望寄托在升級天文臺的分辨率上，希望能借此最終突破上述困境。奧格團(tuán)隊的科學(xué)家們正在分析五種備選方案，最后會選定一個提交給這座天文臺的眾多投資方。但麻煩是，還有第六種選擇——在最糟糕的情況下，奧格天文臺將不得不關(guān)閉。

升級方案所需投資大約是1500萬美元，但有科學(xué)家認(rèn)為把這筆錢花在別的地方或許更合適。美國西雅圖華盛頓大學(xué)的物理學(xué)家埃里克·埃德博格說：“盡管奧格（天文臺）的建造是值得的，但不幸的是，這個‘豪賭’并未產(chǎn)生太多新見解。事實上，宇宙射線物理學(xué)一直沒帶來什么驚喜，這方面目前的進(jìn)展太慢了，所以可能得換個思路了。”

奧格天文臺的支持者說，如果這座天文臺真的不得不關(guān)閉，那么將不僅是對科學(xué)——也將是對阿根廷的沉重一擊。阿根廷布宜諾斯艾利斯大學(xué)物理系主任帕布羅·米林尼表示，奧格天文臺不僅是一個旗艦式的科研項目，而且能提升青年學(xué)子對物理學(xué)的興趣，能吸引他們走進(jìn)這個奇妙無窮的科學(xué)領(lǐng)域，因此，這個大工程值得繼續(xù)。

一個多世紀(jì)以來，物理學(xué)家一直很清楚地球持續(xù)遭到來自太空的帶電粒子轟炸，其中許多粒子的能量即便按照粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)也很驚人。位于瑞士日內(nèi)瓦附近的大型強(qiáng)子對撞機(jī)（目前最強(qiáng)大的人造粒子加速器）很快將實現(xiàn)7×1012電子伏特的能量，但宇宙射線的能量也許是這一數(shù)值的幾百倍或幾千倍。

科學(xué)家現(xiàn)在傾向于認(rèn)為，大多數(shù)超高能宇宙射線都是質(zhì)子及其他輕核，它們來自于太陽系以外很遠(yuǎn)的地方，很可能是由災(zāi)難性的恒星爆發(fā)——超新星產(chǎn)生的。但在很罕見的情況下，擊中地球大氣層的宇宙射線能量高達(dá)1018電子伏特甚至更高。迄今為止最高能宇宙射線是1991年10月15日在美國猶他州上空探測到的，其能量為3×1020電子伏特，約為上述強(qiáng)子對撞機(jī)數(shù)值的4000萬倍。因此就出現(xiàn)了一個奧秘：計算結(jié)果顯示，即便是超新星爆發(fā)產(chǎn)生的膨脹式?jīng)_擊波，也不可能把帶電微粒加速到大約1017電子伏特?，F(xiàn)在還沒有人知道到底是什么物理過程能夠把粒子加速至比這更高的能量，甚至就連對這些粒子的屬性為何也不知道。

1992年，因為在粒子交互作用方面的工作而與他人分享諾貝爾物理獎的美國科學(xué)家克洛寧，決心破解這個奧秘。他和英國利茲大學(xué)的阿倫·沃特森以及巴黎居里夫婦大學(xué)的穆拉特·波拉塔夫一道，開始著手建造一座天文臺，希望借此探測到足夠超高能的宇宙射線，從而回答這些難題。

他們設(shè)計了有1600部探測器的伸展式天文臺，這一設(shè)計反映出在這項科學(xué)探索方面的兩個基本事實。

第一個事實是，這些射線極其少見。雖然比它們能量低的超高能宇宙射線每秒鐘在每平方厘米的面積內(nèi)都有好幾個，但隨著能量增加，這個數(shù)字急劇下降。能量在1020電子伏特以上的超高能宇宙射線，即便一整個世紀(jì)在每平方千米的范圍內(nèi)也少有一個。因此，能夠部署的探測器數(shù)量越多，抓住一個如此超高能宇宙粒子的成功率也就越高。

第二個事實是，所謂的“初級宇宙射線”（即來自于星際空間或稱宇宙空間的宇宙射線）永遠(yuǎn)不會到達(dá)地球地面，而是猛撞進(jìn)地球高層大氣中的空氣分子里，產(chǎn)生一系列質(zhì)子、電子、正電子、μ介子及其他碰撞產(chǎn)物。然后，這些碰撞產(chǎn)物再猛撞進(jìn)其他空氣分子里。其結(jié)果就是空氣簇射：集體跟隨原來宇宙射線路徑的一股低能粒子噴流。這需要部署在一個很寬范圍內(nèi)的許多探測器來探測?？茖W(xué)家希望這些探測器能記錄到足夠多的轟擊地面的空氣簇射微粒，由此重建原來宇宙射線的能量和方向。為了幫助這種重建，科學(xué)家也計劃用四個群組的熒光望遠(yuǎn)鏡掃描探測器陣列的上空，繪制空氣簇射粒子在大氣層中橫沖直撞時產(chǎn)生的微弱藍(lán)光或紫光線條圖。

為了紀(jì)念在空氣簇射研究方面頗有建樹的法國物理學(xué)家皮埃爾·奧格（1939年，他在研究中發(fā)現(xiàn)宇宙輻射與空氣簇射有關(guān)。他還估計，創(chuàng)生大規(guī)?？諝獯厣涞娜肷淞Ｗ幽芰恐辽俑哌_(dá)1015電子伏特），三位科學(xué)家把這座天文臺以他的名字命名。隨后，科學(xué)家們從一個國家到另一個國家，籌集建造奧格天文臺所需資金。他們還召集了來自全球、希望加入奧格團(tuán)隊的一群高能物理學(xué)家。接下來，這些物理學(xué)家也利用各自的關(guān)系，從當(dāng)?shù)卣抢餇幦≠Y金。很快，美國、德國、法國和阿根廷及其他多國答應(yīng)提供幫助。

與此同時，奧格團(tuán)隊調(diào)查南非、澳大利亞和南美洲的奧格天文臺備選地址。篩選條件一大堆，而最主要的是必須有天空晴朗的大片空曠平地。南非很希望奧格天文臺能設(shè)在他們那里。但奧格團(tuán)隊認(rèn)為，南非的物理學(xué)家數(shù)量不足以支持這個項目。澳大利亞候選地址也有一個缺陷：它位于軍事控制區(qū)，不太利于國際合作。

1995年11月，克洛寧、沃特森和波拉塔夫宣布奧格天文臺將建在海拔大約1400米的阿根廷潘帕·亞馬麗娜平原上。除了位于西邊的礦業(yè)小鎮(zhèn)馬拉圭（人口2.3萬）之外，這個平原空曠得正如奧格團(tuán)隊所需。更好的是，當(dāng)時的阿根廷總統(tǒng)梅內(nèi)姆為自己的國家能主辦一個國際性科學(xué)項目而非常興奮，答應(yīng)出資相當(dāng)于1000萬美元的阿根廷比索。該項目選址所在地門多薩省，答應(yīng)另外出資500萬美元。

2001年，正在奧格天文臺的建設(shè)如火如荼之時，阿根廷遭遇有史以來最嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)危機(jī)和政府變更。阿根廷比索瞬間貶值七成。奧格團(tuán)隊不得不再度到各處籌措資金，這也是奧格天文臺遭遇的最大挫折之一。另一個挫折是在2010年。當(dāng)時，美國出資方拒絕出錢在美國科羅拉多州建設(shè)奧格天文臺的姊妹天文臺。如果這個天文臺能建成，就能讓科學(xué)家為尋找超高能宇宙射線來源而掃描整個天空，而不只是南半球天空。

雖然建造過程并不順利，奧格天文臺的首批154部探測器還是得以在2004年1月1日開始了數(shù)據(jù)采集。其余探測器分階段部署，整個探測器陣列在2008年完工。其中每個塑料圓筒箱里都裝著1.2萬升純化水。當(dāng)一個空氣簇射微粒經(jīng)過這些水時，就會出現(xiàn)一道光。每個箱子都與光電管連接，因此能測量這道光。箱子頂部的天線把數(shù)據(jù)傳送到位于馬拉圭鎮(zhèn)的奧格天文臺總部，從那里發(fā)送給全球大約350位科學(xué)家進(jìn)行研究。

他們在這方面的首個十年（2004～2014年）工作，產(chǎn)生了一系列頗有誘惑性的結(jié)果，其中包括：許多最高能射線其實并非是常見的質(zhì)子，而是諸如鐵之類的重核。如果真是如此，那就是一個從未有人想到過的驚人結(jié)果，能夠揭示超高能宇宙射線的神秘加速機(jī)制。但與此同時，這個驚人結(jié)果也會危及奧格團(tuán)隊的核心目標(biāo)：相對于質(zhì)子而言，重核更容易被星系間的磁場影響而強(qiáng)烈偏離方向，這會讓重核的方向隨機(jī)化，因此也就不可能追溯超高能宇宙射線的源頭——這樣一來，旨在找尋超高能宇宙射線源頭的奧格天文臺又有何用呢？奧格團(tuán)隊不是自扇耳光嗎？

2007年，這個擔(dān)憂看來最終消除了。奧格團(tuán)隊在對采集自27道射線的數(shù)據(jù)進(jìn)行了3年半的分析后報告說，超高能宇宙射線看來主要來自于天空中由附近星系里超大質(zhì)量黑洞所占據(jù)的位置。其含義是，與巨型黑洞有關(guān)的某種機(jī)制在把微粒加速到超高能量。這一推測的公布激起了一陣媒體亢奮，一些一知半解的記者竟然聲稱：宇宙射線來源之謎終于被徹底破解了。

但真相并非如此。隨著此后幾年里相關(guān)數(shù)據(jù)的逐漸累積，上述相關(guān)性越來越弱。最終，奧格團(tuán)隊間接承認(rèn)他們有可能混淆了數(shù)據(jù)——或許，隨機(jī)的星系間磁場干擾了研究結(jié)果。但奧格團(tuán)隊爭辯說，他們當(dāng)時急于發(fā)表研究結(jié)果情有可原，他們只是賦予了觀測結(jié)果統(tǒng)計學(xué)上的意義（而非給出最終結(jié)論），以便其他科學(xué)家思索、評估這些結(jié)果，這也是科學(xué)研究的慣例之一。

當(dāng)然，超高能宇宙射線之謎至此仍未破解。為了打破僵局，奧格團(tuán)隊希望能升級奧格天文臺。升級的基本策略是，對每一個初級宇宙射線微粒的質(zhì)量進(jìn)行更好的測量，由此把相對未偏離方向的質(zhì)子與較重的微粒區(qū)分開。奧格團(tuán)隊希望，如果大自然能更仁慈一些，如果超高能宇宙射線中有足夠的質(zhì)子來提供統(tǒng)計數(shù)據(jù)，也許他們就能發(fā)現(xiàn)這些射線的源頭。

不難看出，要靠奧格天文臺來找到超高能宇宙射線的來源，這些“如果”無疑昭示著很大的難度。目前，奧格天文臺的熒光望遠(yuǎn)鏡負(fù)責(zé)測量初級宇宙射線微粒的質(zhì)量。隨著每次空氣簇射在大氣層里下降，這些望遠(yuǎn)鏡都會觀測它怎樣擴(kuò)張和沉積能量。但熒光望遠(yuǎn)鏡只能在清朗無月的夜晚工作，這就限制了它們的觀測時間。因此，奧格團(tuán)隊想改為觀測空氣簇射中的μ介子數(shù)量。μ介子是行為像重電子的短命粒子。由于空氣簇射中的μ介子容易在較重宇宙射線微粒之間的碰撞中最大量地產(chǎn)生，了解它們的豐富度就應(yīng)該能告訴科學(xué)家到達(dá)地球的初級宇宙射線是質(zhì)子還是重核。

基于μ介子比其他粒子能更深地穿透到水箱里，科學(xué)家們提出了升級奧格天文臺的5種建議，實際上代表著辨識μ介子的5種不同方法。每種方法都要求一個不同的新電子儀器、新探測器組合，以及對所有1600個水箱的內(nèi)部改造，難怪升級成本高達(dá)1500萬美元。支持升級者指出，這一投資是值得的，部分原因是現(xiàn)有探測器陣列幾乎沒機(jī)會獲得辨識超高能宇宙射線來源所需的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，但照樣每年得花170萬美元來維持這些探測器運轉(zhuǎn)。

然而，μ介子探測計劃是否可行尚待檢驗。因此，有關(guān)方面依然可能會認(rèn)為升級奧格天文臺并不值得，甚至就連這座天文臺本身也需要關(guān)閉。但克洛寧堅持認(rèn)為，現(xiàn)在就放棄奧格天文臺為時尚早，因為這座天文臺的目的是探索，不進(jìn)行足夠的探索就不可能有太多收獲。阿根廷科學(xué)家則指出，放棄奧格天文臺將讓阿根廷失去一個大大提升該國科研能力的項目。更重要的是，阿根廷將因此失去一個激勵年輕人熱愛物理學(xué)的良好動因。

小小的馬拉圭鎮(zhèn)現(xiàn)在擁有了第一所大學(xué)，奧格團(tuán)隊的科學(xué)家和工程師們定期為該校一、二年級的大學(xué)生講課。一名2012年入學(xué)的女生原本對數(shù)學(xué)感興趣，但在奧格天文臺了解到越來越多關(guān)于宇宙射線的知識后，她改學(xué)了物理。此外，迄今已有360人因為在奧格天文臺做研究工作而獲得博士學(xué)位，其中有許多是阿根廷學(xué)生。奧格天文臺的5個升級方案中，有兩個從設(shè)計到建造的所有方面都計劃在阿根廷完成?？偠灾?，奧格天文臺的建立為阿根廷培養(yǎng)了全新一代與國際頂尖物理學(xué)家接軌的科研人員，這在該天文臺建立之前是無法想象的。

阿根廷科學(xué)部指出，正因為奧格天文臺，阿根廷才現(xiàn)身于全球科技地圖上。受此影響，歐洲空間局的“深空天線三號”射電拋物面天線安裝在了馬拉圭以南約30千米處，來支持歐空局“火星快車”“赫歇爾”“普朗克”等任務(wù)。目前，阿根廷與巴西聯(lián)手，正在阿根廷北部建造“大拉丁美洲毫米陣列”。如此看來，一旦奧格天文臺項目真的終止，對阿根廷的打擊將非常之大。對此，為奧格天文臺出資的大老板們會不會不屑一顧呢？

空氣簇射

空氣簇射是由法國人布魯諾·羅西在1934年發(fā)現(xiàn)的。他用彼此隔開的探測器觀測宇宙射線，發(fā)現(xiàn)許多粒子同時到達(dá)不同的探測器。這一現(xiàn)象現(xiàn)在被稱為“空氣簇射”。

實際上，空氣簇射是一個范圍很寬（許多千米寬）、由離子化粒子和電磁輻射組成的射束。當(dāng)初級宇宙射線（即來自于地球之外源頭的射線）進(jìn)入地球大氣層的時候，就會產(chǎn)生這些粒子和輻射。射束是指入射粒子 ——可以是一個質(zhì)子、一個原子核、一個電子、一個光子或一個正電子（這種情況很少見）——撞擊空氣中的一個原子核，由此產(chǎn)生了許多高能強(qiáng)子。不穩(wěn)定的強(qiáng)子在空氣中迅速衰減成其他粒子和電磁輻射，成為簇射成分的一部分。包括X射線、μ介子、質(zhì)子、反質(zhì)子、阿爾法粒子、介子、電子、正電子和中微子在內(nèi)的次級輻射大量降落，即形成了簇射。

宇宙輻射劑量中的大部分來源于μ介子、中子和電子。基于地球磁場、高度和太陽周期，全球不同地區(qū)的宇宙射線劑量各不相同。飛機(jī)上的宇宙輻射劑量很高，機(jī)組人員所受到的輻射劑量遠(yuǎn)超過其他人。核電站的工作人員亦如此。如果飛行路線經(jīng)過兩級地區(qū)附近高空，輻射劑量則更高。