宇宙射线 【资料】

宇宙线亦称为宇宙射线，是来自外太空的带电高能亚原子粒子。它们可能会产生二次粒子穿透地球的大气层和表面。射线这个名词源自于曾被认为是电磁辐射的历史。主要的初级宇宙射线（来自深太空与大气层撞击的粒子）成分在地球上一般都是稳定的粒子，像是质子、原子核、或电子。但是，有非常少的比例是稳定的反物质粒子，像是正电子或反质子，这剩余的小部分是研究的活跃领域。

大约89%的宇宙线是单纯的质子，10%是氦原子核（即α粒子），还有1%是重元素。这些原子核构成宇宙线的99%。孤独的电子（像是β粒子，虽然来源仍不清楚），构成其余1%的绝大部分；γ射线和超高能中微子只占极小的一部分。

粒子能量的多样化显示宇宙线有着广泛的来源。这些粒子的来源可能是太阳（或其它恒星）或来自遥远的可见宇宙，由一些还未知的物理机制产生的。宇宙线的能量可以超过1020eV，远超过地球上的粒子加速器可以达到的1012至1013eV，使许多人对有更大能量的宇宙线感兴趣而投入研究[1]。

经由宇宙线核合成的过程，宇宙线对宇宙中锂、铍、和硼的产生，扮演着主要的角色。它们也在地球上产生了一些放射性同位素，像是碳-14。在粒子物理的历史上，从宇宙线中发现了正电子、μ子和π介子。宇宙线也造成地球上很大部分的背景辐射，由于在地球大气层外和磁场中的宇宙线是非常强的，因此对维护航行在行星际空间的太空船上太空人的安全，在设计有重大的影响。

宇宙线大致可以分成两类：原生和衍生宇宙线。来自太阳系外的天文物理产生的宇宙线是原宇宙线；这些原宇宙线会和星际物质作用产生衍生（二次）宇宙线。太阳在产生闪焰时，也会产生一些低能量的宇宙线。在地球大气层外的原宇宙线，确实的成分，取决于观测能量谱的哪些部分。不过，一般情况下，进入的宇宙线几乎90%是质子，9%是氦核（α粒子），和大约1%是电子。氢和氦核的比例（质量比氦核是28%）大约与这些元素在宇宙中的元素丰度（氦的质量占24%）相同。

其余丰富的部分是来自于恒星核合成最终产物的其它重原子核。衍生宇宙线包含其它的原子核，它们不是丰富的核合成或大爆炸的最终产物。这些较轻的原子核出现在宇宙线中的比例远大于在太阳大气层中的比例（1:100个粒子），它们的丰度大约是氦的107。

这种丰度的差异是衍生宇宙线造成的结果。当宇宙线中重的原子核成分，即碳和氧的原子核，与星际物质碰撞时，它们分裂成较轻的锂、铍、硼原子核（此过程被称为宇宙射线散裂）。被发现的锂、铍和硼的能谱比来自碳或氧的更为尖细，这个值暗示有少数的宇宙射线散裂是由更高能量的原子核产生的，推测大概是因为它们是从银河的磁场逃逸出来的。散裂也对宇宙线中的钪、钛、钒和锰离子等的丰度负责，它们是宇宙线中的铁和镍原子核与星际物质撞击产生的（参见天然的背景辐射）。

即使卫星实验在原宇宙线中发现一些反质子和正电子存在的证据，但没有复杂的反物质原子核（例如反氦核）存在的证据。在原宇宙线中观测到的反物质丰度是符合它们也能由原宇宙线在深太空和普通物质撞击，在衍生宇宙线的程序中产生的理论。例如，一种在实验室中产生反质子的标准方法是以能量大于6GeV的质子去撞击其他的质子，而在原宇宙线中很轻易的就有许多质子的能量超过这个数值。无论是否在银河系中，当简单的反物质能够由这种程序产生时（不是在大气层的高层），它们仍可能传播遥远的距离抵达地球，而不会在星际空间中与其他的氢原子碰撞而湮灭。抵达地球的反质子特征是能量最多只有2GeV，显示它们产生的过程在基本上与宇宙线中的质子是截然不同的。

在过去，人们认为宇宙线的通量随着时间的推移一直是相当稳定。最近的研究显示，以1.5至2千年的时间尺度，有证据显示在过去的40,000年，宇宙线的通量是有变化的。

宇宙射线中的原子核之所以能够从他们遥远的源头一直到达地球，是因为宇宙中物质的低密度。原子核与其它物质有着强烈的感应，所以当宇宙线接近地球时，便开始于大气层气体中的原子核撞击。在大气簇射的过程中，这些碰撞产生很多π介子和K介子，这些很快会衰退为不稳定的μ子。由于与大气层没有强烈的感应以及时间膨胀的相对论性效应，许多μ子能够到达地球表面。μ子属于电离辐射，从而可以轻易被许多粒子探测器检测到，例如气泡室，或闪烁体探测器。如果多个μ子在同一时间被不同的探测器检测到，那么它们很可能源自同一次簇射。

现在，新的探测手段能够不通过大气簇射现象探测这些高能粒子，也就是在太空中，不受大气层的干扰，直接探测宇宙线，例如阿尔法磁谱仪实验。

【超高能宇宙射线】

在粒子天文物理中，超高能宇宙射线（英语：ultra-high-energycosmicray，UHECR）是指能量高于1EeV（1018电子伏特，相当约0.16焦耳）的宇宙射线，其能量远高于其他典型宇宙射线的静质量与能量。

极高能宇宙射线（英语：extreme-energycosmicray，EECR）是能量超过5×1019eV（相当约8焦耳）的UHECR。5×1019eV这个值即所谓GZK极限，指的是长距离行进（约1.6亿光年）的宇宙射线质子会因为宇宙微波背景（CMB）中光子的散射，导致能量有上限。因此，EECR不可能自早期宇宙就存在至今，而是宇宙学上较“年轻”的宇宙射线，而且因某种未知的物理过程而从本超星系团的某个位置发射出来。如果EECR不是质子，而是核子数为{\displaystyleA}A的原子核，那么GZK极限也适用该核子数，只是原子核的总能量限制前带有{\displaystyle1/A}{\displaystyle1/A}的分数。对于铁原子核，相应的极限会是2.8×1021eV。但是，核物理过程导致铁原子核的极限与质子相近。其他高丰度的原子核其极限甚至更低。

这些粒子非常稀有；在2004年至2007年之间，皮埃尔奥格天文台（PAO）初始运行时检测到27起事件，估计它们抵达天文台时能量超过5.7×1019eV，也就是说，该天文台所调查的3000km2面积之中大约每四周就发生一次这样的事件。

有证据显示，这些最高能量的宇宙射线可能是铁原子核，而不是构成大多数宇宙射线的质子。

人们推定EECR的（假说性的）发射源称为捷伐加速器（Zevatron），其命名就如同劳伦斯柏克莱国家实验室的贝伐加速器（Bevatron），以及费米实验室的兆电子伏特加速器（Tevatron）一样，所以能够将粒子加速到1ZeV（1021eV，皆电子伏特）。基于星系喷流内部的冲击波可引起粒子的扩散加速，星系喷流在2004年一度被考虑可能就是Zevatron。特别是，模型表明，附近M87星系喷流冲击波可能将铁原子核加速到ZeV范围。2007年，皮埃尔奥格天文台观测到EECR与附近星系中心的河外超大质量黑洞（叫做活跃星系核）具有关联性。然而，随着持续的观察，两者关联性的强度变得越来越弱。虽然最新的结果显示这些EECR中似乎只有不到40％来自AGN，其相关性比以前报道的要弱得多，但活跃星系核磁层中加速度的离心机制也可以解释极高的能量。格里布（Grib）和帕夫洛夫（Pavlov）（2007，2008）的提出一个更具推测性的建议，是设想超重暗物质通过潘罗斯过程的衰变。

根据推测，活跃星系核能将暗物质转化为高能质子。圣彼得堡亚历山大弗里德曼理论物理实验室的尤里帕夫洛夫（YuriPavlov）和安德烈格里布（AndreyGrib）推测，暗物质粒子的质量约为质子＝的15倍，而且它们可以分解为成对、与普通物质相互作用的较重虚粒子。如潘罗斯过程所描述的，这些粒子之一可能靠近活跃星系核，而另一个则逃逸。那些粒子当中有会与入射的粒子碰撞；根据帕夫洛夫的说法，这是能量非常高的碰撞，可以形成具有高能量的一般可见的质子。帕夫洛夫又宣称，这种过程的证据就是超高能宇宙射线粒子。超高能宇宙射线粒子也可能是由超重暗物质“X粒子”（例如黑洞子）的衰变而产生的。这种能量甚高的衰变产物携带着X粒子质量的一部分，被认为合理解释了我们观察到的超高能宇宙射线。