作者:冯丽妃 来源:中国科学报 发布时间:2014/10/14 11:07:09
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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的质子,据此得出充足的数据,我们有可能找到射线的起源。

皮埃尔奥格天文台有些“突兀”地坐落在阿根廷西部黄色大草原上。

图片来源:Katia Moskvitch

阿根廷皮埃尔奥格天文台已经花费了近十年搜寻超高能宇宙射线的踪迹,但至今仍一无所获。如今,这个天文台正面临叵测命运。

这个圆柱形的罐子有些突兀地立在阿根廷西部多风的南美大草原上,被枯黄的野草和长着尖刺的荆棘丛包围着,如果没有了顶上“鸟格”形状的太阳能嵌板和天线,这个高度与成人胸口齐平的塑料罐可能会被看作是一个再普通不过的储藏罐。

放眼望去,更多这样的白色储藏罐逐渐进入视野,沐浴在远处安第斯山脉后方猩红色夕阳的余晖中。“一些人认为储藏罐会影响天气:它们操控着这里的雨雪干旱。”这片土地的主人Anselmo Francisco Jake说,“但我知道它们不会,它们的目标是捕捉宇宙射线。”

Jake说得没错。这样的储存罐共有1600个,它们错落散布在3000平方公里的草原上,占用的土地面积甚至超过了卢森堡的国家面积。所有储藏罐加在一起就构成了皮埃尔奥格天文台:一个花费了5300万美元的实验项目,其目的是揭示超高能宇宙射线——至今为止最活跃的亚原子粒子的神秘起源。

尽管工程规模庞大,但至今看来依旧是“劳而无功”。经过近10年的搜索,它的确发现了数十束超高能宇宙射线,但却依旧未能解开其来源之谜。“作为一个探测设备,天文台的工作状态确实和我们预期的一样好。”该工程同建设者之一、美国伊利诺伊州芝加哥大学退休天文物理学家James Cronin说。但是由于这些粒子似乎来自于四面八方,对于研究人员来说,只能依靠少得可怜的粒子团簇找到其出处。“所以,这一类工程的实验结果只能是成事在天。”

现在,奥格天文台研究团队正寄希望于通过给天文台升级,提高设备分辨率来解决这一难题。奥格天文台的物理学家成立的委员会还提出了5个设计方案,以供11月份支持该天文阵列的资助者选择。但麻烦是可能会出现他们预料之外的第6种选择。“最坏的情况我甚至不敢去想,天文台可能会被关停。”奥格天文台项目副经理、物理学家Ingo Allekotte说。

给奥格升级需要另外约1500万美元的投资,有人说这些钱不如花在别的地方。“尽管建立奥格很有意义,但不幸的是它同样是一场尚未获得很多人理解的赌局。”美国西雅图华盛顿大学物理学家Eric Adelberger说。“宇宙射线物理学至今的发现寥寥无几,进度慢得惊人。或许现在是时间改变这种局面了。”

在奥格的支持者看来,如果天文台被关停不仅是科研的损失,也是阿根廷的损失。阿根廷布宜诺斯艾利斯大学物理系主任Pablo Mininni说,这项天文旗舰工程不只对科研有意义,还会激发人们尤其是年轻人对天文物理学的认知,吸引他们到这个领域工作。“这样的大工程需要瞻前顾后,持续发展。”他说。

打破常规的家伙

一个多世纪之前,物理学家就了解到地球不断被宇宙中的各种粒子持续“轰炸”,这些粒子中很大一部分所拥有的能量以现在粒子物理学的标准来衡量甚至也会让人感到吃惊。迄今为止功力最强大的人造粒子加速器——位于瑞士日内瓦附近的大型强子碰撞型加速装置(LHC)很快将获得7万亿伏(1012电伏)的粒子,但是宇宙射线粒子的电伏则是这个数字的成百上千倍。

这些粒子大多数被认为是质子,其他质量较轻的原子核来自太阳系外的遥远空间,可能是大型天体爆炸即超新星爆炸的繁衍物。但是宇宙射线以1018电伏或是更高能量撞击地球大气层的几率非常小,史上能量最强的纪录——即1991年19月15日在美国犹他州发现的“上帝粒子”所带的电伏是3×1020电伏,约是LHC的4000万倍。所以,一个谜题出现了:数字计算显示,超新星爆炸后膨胀时引发的冲击波并不能使带电粒子加速到1017电伏。没有人知道什么样的物理过程可以使粒子加速到更高的能量,或是那些到底是什么粒子。

1992年,因在粒子互动领域的研究成果分享1980年诺贝尔物理学奖的Cronin打算再作一次探索。他和英国利兹大学的Alan Watson、法国巴黎大学的Murat Boratav和Marie Curie着手建造一座天文台,希望可以通过它探测到足够的超高能宇宙射线来回答上述问题。他们随机布置的1600个探测设备反映了两个关于宇宙射线粒子来源的基础问题。首先,宇宙射线极其罕见,尽管每秒每立方厘米就会出现几个能量较低的“表亲”粒子。而且能量越大,它们就潜藏得越深。当能量达到2010电伏时,宇宙射线流量就会低于每世纪每平方公里出现1个。所以,探测设备越多,研究人员探测到其踪迹的可能性就越高。

第二个基础问题是,那些来自星际空间的“主要”宇宙射线从未到达过地表。相反,它们会撞向高空大气层中的气体分子,产生大量光子、电子、正子、介子以及其他撞击后的生成物,然后再撞向其他气体分子。结果是产生“空气簇射”:一群沿着原来宇宙射线的路径集中在一起的低能量粒子。这就需要在大范围内布满探测设备,才有希望当它们撞击地面恢复粒子原来的能量和方向时,捕捉到足够的空气簇射粒子。在此过程中,物理学家计划在天文观测台周围布置4个荧光望远镜群,借此对天空进行扫描,来勾勒空气簇射撕裂大气的时候,粒子产生的蓝光和紫外光流。

因为法国物理学家皮埃尔·奥格在1938年发现了空气簇射现象,所以3位科学家以他的名字为这项天文工程命名。他们还在全世界挨个敲门,邀请了一群高水平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政府申请经费支持,项目受到了美国、意大利、德国、法国、阿根廷以及一些其他国家的资助。同时,项目还受到时任阿根廷总统Carlos Menem的强烈支持,承诺向其赞助1000万美元,并使该项目落地阿根廷。

空气簇射

奥格天文台的首批154台天文探测器在2004年1月1日投入使用,其余的探测器在2008年工程竣工后也投入使用。每个塑料罐里都装着12000升纯净水,当空气簇射粒子经过的时候就会产生一道光束,它们还连着可以测量这些光束的光电管。罐子上的天线可以把测量数据传输到位于阿根廷Malargüe的天文台总部,数据将在那里被传给世界各地的350位研究人员处进行分析。

他们在第一个十年收集的数据已经产生大量争议性结果,比如一些线索显示,很多高能射线是诸如铁核子一类的重核,而不是更常见的质子。“这是很多人都未曾预料到的结果。”奥格新闻发言人、德国伍珀塔尔大学物理学家Karl-Heinz Kampert说。如果这些属实,它可能会发现一些与神秘的粒子加速机制相关的重要线索。它还可能威胁并破坏奥格的核心任务:重核在星际磁场影响下比质子更容易转向,可以使粒子的方向产生随机性,让科学家不可能追踪到宇宙射线的起源。

不过这些担忧从2007年起似乎归于平息。研究人员对3年半来天文台收集的27束宇宙射线进行分析称,这些光线更像来自于附近星系特大质量黑洞所在的空间。这意味着这些粒子是被一些与特大质量黑洞相关的机制加速至超高能量。这个发现公布后,一些媒体报道称,宇宙射线神秘来源的问题终于被解决了。

但问题并没有解决。随着时间的发展与数据的积累,宇宙射线起源与黑洞之间的相关性也越来越弱。最终,研究人员不得不承认,他们没有发现宇宙射线的任何来源。美国哈佛大学天文物理学家Avi Loeb说:“在2007年发表的这篇文章之前,奥格天文学家应该更加谨慎一些。”

但奥格物理学家主张,等待没有任何意义。“我们给出了观测到的重要数据资料,所以科学家都知道了如何衡量结果。”奥格团队成员、阿根廷Balseiro研究所物理学家Esteban Roulet说,“让科学界得到收集的数据很重要。”

大规模升级

无论如何,谜题还未解开,奥格团队希望通过对设备进行升级来解开这个僵局。奥格团队成员、阿根廷国家原子能委员会物理学家Alberto Etchegoyen表示,未来的基本战略是对每个主要宇宙射线群进行更精细的测量,然后从更重的粒子中找出相对未偏转的质子。“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的质子,据此得出充足的数据,我们有可能找到射线的起源。”他说。

目前,奥格的荧光望远镜仍在观察着宇宙射线,观测当其通过大气的时候,每次的空气簇射如何扩展,如何储存能量。但这些望远镜只能在清澈、没有月光的晚上工作,使观测时间大大降低。所以,奥格团队希望可以通过观测空气簇射内部来计算介子:一种寿命很短的粒子,性质有些类似重电子。因为当质量更重的宇宙射线粒子碰撞时,空气簇射更倾向于产生大量的介子,而它们的富集程度可以告诉奥格物理学家,碰撞产生的主要粒子是质子还是重核子。(冯丽妃)

《中国科学报》 (2014-10-14 第3版 国际)
 
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