最神秘的粒子：超高能宇宙射线之谜
超高能宇宙射线(UHECRs)是宇宙中最有活力最稀有，同时也是最神秘的粒子之一。本杰明·斯库塞在本文中说明了宇宙射线之谜是如何不断挑战我们对高能物理的认知的。
在遥远宇宙某处，某些物体正在产生能量巨大的粒子。无论它们是什么，无论它们来自哪里，这些粒子可以是能量在到电子伏之间的任何物质。鉴于欧洲核子中心的大型强子对撞机产生的最高粒子能量约为电子伏，这些神秘粒子的能量比地球上最大的粒子加速器所能得到的还要高百万倍。简单的说，它们是自然界出现过的能量最高的粒子。
超高能宇宙射线发现于1962年，是众多宇宙射线中最高能的成员。再早50年，奥地利科学家维克多·赫斯在一系列著名的热气球飞行中首次发现了宇宙射线。然而，即使我们现在对常规的宇宙射线有充分的了解，对于超高能宇宙射线，它们由什么组成，到底从哪里来，什么加速了它们等问题仍是谜团。
图解：奥地利科学家维克多·赫斯（图源：wikipedia）
幸运的是，一些超高能宇宙射线偶尔会倾泻到地球上。这些射线进入大气层时会与大气分子碰撞，这些大气分子又和其他粒子碰撞，产生直达地面的级联效应。最终会导致一场在地球表面范围宽达5千米的粒子簇射。多亏了阿根廷皮埃尔·俄歇天文台和美国犹他州望远镜阵列，我们得以探测到这些簇射并从中提取宇宙射线的有关信息。
图解：阿根廷皮埃尔·俄歇天文台的1660个探测器之一，其中装有12,000多升水，用以捕捉难以捉摸的超高能宇宙射线。（图源：皮埃尔·俄歇天文台）
两台设施都由表面探测器阵列组成——以俄歇天文台为例，1660个大型桶状建筑遍布3000平方千米的区域，各装有12000多升水。簇射中的粒子落入探测器时，会产生电磁震荡波，而后这些震荡波会被安装在探测器水箱中的光探测管接收。
之后，研究员们可以将这些信息与分布在阵列各处的27个望远镜收集的数据，即在级联效应中被激发的氮原子产生的荧光，结合起来。这种结合技术提供了对超高能宇宙射线的流量、来源方向和能量大小的精确测量。2017年，作为这项工作的一个成果，皮埃尔·俄歇天文台的研究员们明确证明了最高能的宇宙射线来自银河系外（《科学》357 1266）。由于宇宙射线的发现已经超过了一个世纪，这项突破似乎有些平庸过时。实际上，这恰恰反映了研究者们面对的艰巨挑战。能量超过电子伏的宇宙射线降落到地球上的频率平均每世纪每平方千米只有一次。
图解：望远镜阵列示意图，小方块为表面探测器，大方块为望远镜（图源：telescopearray）
超高能宇宙射线由什么构成？
数十年来收集的数据证明，低能量的宇宙射线——大部分是质子、核子和电子——似乎来自天空的各个方向。科学家们认为这是射线被银河系各处的磁场偏转到各个方向的结果，这也使定位射线来源的希望破灭。但超高能宇宙射线是不同的，它们迅速穿过银河的磁场而只被偏转了很小的角度。“我们可以把它们当做“天文信使”直接找到它们的来源，” 皮埃尔·俄歇天文台发言人拉尔夫·恩格尔解释道。
在超高能宇宙射线大气簇射的过程中，当簇射穿过大气层时，级联效应牵涉越来越多的粒子。然而，每次相互作用都会损失能量，即簇射的粒子数会开始降低，只剩一小部分能到达地面。但通过研究大气簇射在大气层中如何传播，俄歇天文台和望远镜阵列的研究者们能够通过模拟粒子的相互作用来推断簇射在大气层何处达到峰值。结合簇射的峰值和总能量，他们能推断超高能宇宙射线粒子的质量——从而得知粒子的种类。
当俄歇的研究者们应用这套方法时，他们预测超高能宇宙射线是由质子组成的。然而，他们发现了异常。随着超高能宇宙射线的能量从电子伏增加到电子伏，它的质量也增加了。“刚开始，我们发现了很多能量约为电子伏的质子，”恩格尔解释道，“然后，粒子突然间变为氦核，之后又变成从碳核和氮核。”
不管对实验学家还是理论学家，超高能宇宙射线的质量随能量的增加而增加都是一个问题。让俄歇的科学家困扰的是越重的超高能宇宙射线受银河磁场的影响越大，导致来源定位更加困难。对于理论学者，如克里特大学的瓦西里基帕夫利多，问题则更基础：这个问题可能会挑战我们对整个高能物理的认知，“如果最高能的基本粒子确实变得更重，我们就不得不接受两个令人不安的巧合，”她说。
图解：当超高能宇宙射线撞击地球大气层，它们会产生大气簇射，但很少能够到达地面。（图源：马克·加利奇/科学图片库）
根据传统观点，高于一定能量的宇宙射线会因为与宇宙微波背景中的光子相互作用而迅速损失能量，这意味着在地球上发现的超高能宇宙射线的能量应该小于电子伏。然而，如果粒子的质量随能量增加而增加，那么最开始加速射线的天文过程——不管它是什么——一定运转在接近最高能量的状态下（更轻的粒子自然会因太微小而不能达到这样的高能量）。
因此，超高能宇宙射线电子伏的能量限制被两个完全不相关的过程支配：粒子在河外的源头时如何被加速和当它们穿过星际空间时如何损失能量。这是第一个奇怪的巧合。
第二个巧合是关于来自银河系内和系外的宇宙射线。被观察到的来自银河系内的宇宙射线的能量止于电子伏，恰好与系外宇宙射线质量开始变大时的能量一致。这是很奇怪的，因为系内和系外宇宙射线的来源是完全不同的（尽管我们仍不清楚后者的来源）。
既然这两个巧合依赖于没有任何关系的过程和性质，为什么它们发生于相同的能量范围？一个可能的解释是这些巧合根本不存在。如果来自系外的宇宙射线一直是质子而不是随能量增加而变重的话，这些巧合自然就消失了。的确，帕夫利杜和她在克里特大学的同事西奥多·汤玛拉斯就认为超高能宇宙射线主要是质子，唯一的困难是必须发现新的能够影响超过一定能量的大气簇射的物理现象。这听起来可能有些奇怪，但我们有理由不去完全拒绝这个想法。物理学家基于粒子物理的标准模型来模拟粒子如何在大气簇射中相互作用，但这个模型从未在这样的高能量下被验证（即使是在大型强子对撞机LHC中）。此外，这些模拟远远不能解释在大气簇射中观察到的所有特性。因此，你有两种令人难以接受的选择，要么认为超高能宇宙射线就是质子，是新的物理机制让它们表现得更重，要么认为它就是重粒子而标准模型需要一些严谨的调整。
如果超高能宇宙射线是质子，要弄清楚质子是如何被伪装成更重的粒子的，就需要一些新的思考。一种可能的情况是质子在最初的碰撞中产生了微型黑洞，这种可能被大额外维理论所预测。“在对的维度数量里，质子可以有所期望的质量，” 汤玛拉斯解释道，“微型黑洞会瞬间衰减为大量分享其能量的强子，使质子‘看’起来变重了”。另一个可能是提出量子色动力学（描述夸克被约束在质子，中子和其他强子内的理论）还有目前未被发现的相位结构。然而，汤玛拉斯承认这些设想有点“异想天开”。“我们还没有发现大额外维，”他说，“而且我们有理由相信微型黑洞的产生截面太小以至于无法满足我们的目的，此外，我们对量子色动力学的相位结构还没有稳固定量的认识。”尽管如此，要是证据表明超高能宇宙射线确实是质子，汤玛拉斯也相信自然中出现这种奇异的现象是“几乎无法避免”的。
什么使它们加速？
暂时不考虑超高能宇宙射线本质的不确定性，真正重要的问题是：什么创造了它们？这个问题甚至更加令人困惑。直到今年，一些物理学家还在 探索 被称作“自上而下的模型”的超越标准模型的奇特理念。这个理念是高能量的未知物质，比如超重暗物质——质量为质子的倍——会衰变为超高能宇宙射线。这些模型的缺陷是它们暗示超高能宇宙射线应该主要是光子和中微子，然而，来自皮埃尔·俄歇天文台，望远镜阵列和其他地方的数据表明，其中绝大多数是带电粒子。“因此再也没有人试图建立经典的自上而下的奇特模型，”恩格尔解释道。
目前为止有一种候选来源领先于其他所有可能。“如果我必须赌一把，我一定会把钱全部押在星暴星系这种可能上。” 俄歇五百强团队的成员，纽约城市大学的路易斯·安科多基说。星暴星系是宇宙中最耀眼的星系，它以近乎狂暴的速度形成恒星。安科多基和同事们在1999年作出第一次猜想，邻近的那些星暴星系通过群体效应可以将核子加速到超高能量，加上大量的星系中央致密区域的超新星爆发，造成了银河系规模的星系气体超级风。超级风在扩散过程中密度降低，流动速度降到亚音速——实际上，这阻碍了超级风自己的前进。“这产生了巨大的震荡波，和核弹爆炸后产生的冲击波类似，不过威力更大，” 安科多基说。
更关键的是这种扩散冲击波加速器（DSA）能够将粒子加速到接近光速。粒子被磁场束缚，通过一次又一次穿过激波波前而递增地获得能量。绕着这种天体加速器转过一圈又一圈，粒子的能量一直增加直到达到逃逸速度而飞向宇宙空间。今年，安科多基根据俄歇天文台的最新发现重新审视了这项工作。(《物理评论D》97 063010)。
DSA不仅在星暴星系中出现，它还经常被用来解释伽马暴、活跃星系核和其他超高能宇宙射线候选来源的加速机制。然而在2018年初，来自宾夕法尼亚州立大学的村濑幸太和他的同事说明了一种不同的加速机制也可以起作用。(《物理评论D》97 023026).
在他们的模型中，宇宙射线存在于特定星系中，这种星系的活动星系核在被称作离散切变加速的机制下，通过产生强大的喷流带来巨大的能量爆发。这是一个复杂的多方相互作用过程，牵涉到粒子、磁场局部扰动和喷流流动方向以及不同圈层之间的速度差。但最终效果和DSA是类似的。“宇宙射线在切变边界被来回散射从而获得能量，并通过经常出现在喷流顶部的射电瓣逃逸，” 村濑解释道。今年，村濑和来自马里兰大学的柯芳(《自然-物理学》14 396)重新审视了星系融合中强大的黑洞喷流可以为超高能宇宙射线提供能量的观点。刚开始，他们把自己的模型和俄歇天文台观测到的超高能宇宙射线流量和成分数据进行比较，结果与实际观测契合得很好。但最有趣的是，通过详述超高能宇宙射线、中微子和伽马射线可能都由活动星系核产生，他们同时解释了南极洲的冰立方中微子天文台、费米伽玛射线空间望远镜和俄歇天文台收集到的数据。“最美妙的可能是这三种信使粒子有同一类来源，” 村濑补充道。
图解：黑洞喷流想象图（图源：JPL/NASA）
它们从哪里来？
如果我们知道超高能宇宙射线从哪个方向来，选定其来源的任务会简单很多。但宇宙射线科学中没有这种“简单”的事情。俄歇天文台和望远镜阵列的科学家们不惧困难地列举了可能加速超高能宇宙射线的所有潜在对象，并将其与观察到的宇宙射线来源方向匹配。随着数据越来越多，两个机构各自确定了一个区域，作为这些射线可能的主要来源。
图解：距大熊座 星座 约1200万光年的星爆星系M82（上图）可能是超高能恒星的发源地。（图源：美国宇航局，欧空局和哈勃遗产小组（空间望远镜研究所 / AURA））
俄歇天文台确定的区域里包含了大量星暴星系，但也包含了半人马座A——距银河系最近的拥有活动星系核的巨星系。至于望远镜阵列，它的“热点”恰位于大熊座下方，是一个更加清晰的方向指示，四分之一的超高能宇宙射线信号出现在一个的仅占天空6%的圆圈内。但是，尽管M82星暴星系位于大约距大熊座1200万光年的热点区域，那片天空内的各类其他对象也可能是超高能宇宙射线的发源地。
“如果你觉得来源是星暴星系，那么M82的方向相关度更高；如果是活动星系核，那么半人马座A的相关度更高，”恩格尔说，“尽管数据与星暴星系的相关度更高，但这并不意味着星暴星系就是正确的来源。”
正如我们不知道超高能宇宙射线是什么，也不知道是什么加速了它们，它们从哪里来也同样未被揭晓。但是，我们可能很快就会得到答案。皮埃尔·俄歇天文台和望远镜阵列的更新正在进行，同时研究者们也在 探索 新的设备，比如极端多信使天体物理探测(POEMMA)卫星。
我们期望这些神秘粒子质量和来源的谜团能够在十年之内，被最终揭晓。
作者: Benjamin Skuse
FY: 月亮可更换
转载还请取得授权，并注意保持完整性和注明出处
