捕捉宇宙射線

劉聲遠

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成某種儲物容器。

遠方，在安第斯山背后落下的太陽，照亮了更多這樣的箱子。一些當地人相信，這些箱子會影響天氣，帶來更多雨或雪，或者反過來——造成干旱。而在當地擁有一塊土地的杰克·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——迄今已知能量最強的亞原子微粒——的神秘來源。

盡管這個實驗的規模宏大，奧格天文臺卻遠未實現科學家們的期望。經過近十年的“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。

現在，奧格團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。奧格團隊的科學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閉。

升級方案所需投資大約是1500萬美元，但有科學家認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的物理學家埃里克·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’并未產生太多新見解。事實上，宇宙射線物理學一直沒帶來什么驚喜，這方面目前的進展太慢了，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閉，那么將不僅是對科學——也將是對阿根廷的沉重一擊。阿根廷布宜諾斯艾利斯大學物理系主任帕布羅·米林尼表示，奧格天文臺不僅是一個旗艦式的科研項目，而且能提升青年學子對物理學的興趣，能吸引他們走進這個奇妙無窮的科學領域，因此，這個大工程值得繼續。

一個多世紀以來，物理學家一直很清楚地球持續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的標準也很驚人。位于瑞士日內瓦附近的大型強子對撞機（目前最強大的人造粒子加速器）很快將實現7×1012電子伏特的能量，但宇宙射線的能量也許是這一數值的幾百倍或幾千倍。

科學家現在傾向于認為，大多數超高能宇宙射線都是質子及其他輕核，它們來自于太陽系以外很遠的地方，很可能是由災難性的恒星爆發——超新星產生的。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，約為上述強子對撞機數值的4000萬倍。因此就出現了一個奧秘：計算結果顯示，即便是超新星爆發產生的膨脹式沖擊波，也不可能把帶電微粒加速到大約1017電子伏特。現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家克洛寧，決心破解這個奧秘。他和英國利茲大學的阿倫·沃特森以及巴黎居里夫婦大學的穆拉特·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。

他們設計了有1600部探測器的伸展式天文臺，這一設計反映出在這項科學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都有好幾個，但隨著能量增加，這個數字急劇下降。能量在1020電子伏特以上的超高能宇宙射線，即便一整個世紀在每平方千米的范圍內也少有一個。因此，能夠部署的探測器數量越多，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）永遠不會到達地球地面，而是猛撞進地球高層大氣中的空氣分子里，產生一系列質子、電子、正電子、μ介子及其他碰撞產物。然后，這些碰撞產物再猛撞進其他空氣分子里。其結果就是空氣簇射：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的許多探測器來探測。科學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，科學家也計劃用四個群組的熒光望遠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生的微弱藍光或紫光線條圖。

為了紀念在空氣簇射研究方面頗有建樹的法國物理學家皮埃爾·奧格（1939年，他在研究中發現宇宙輻射與空氣簇射有關。他還估計，創生大規模空氣簇射的入射粒子能量至少高達1015電子伏特），三位科學家把這座天文臺以他的名字命名。隨后，科學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、希望加入奧格團隊的一群高能物理學家。接下來，這些物理學家也利用各自的關系，從當地政府那里爭取資金。很快，美國、德國、法國和阿根廷及其他多國答應提供幫助。

與此同時，奧格團隊調查南非、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在他們那里。但奧格團隊認為，南非的物理學家數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，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小鎮馬拉圭（人口2.3萬）之外，這個平原空曠得正如奧格團隊所需。更好的是，當時的阿根廷總統梅內姆為自己的國家能主辦一個國際性科學項目而非常興奮，答應出資相當于1000萬美元的阿根廷比索。該項目選址所在地門多薩省，答應另外出資500萬美元。

2001年，正在奧格天文臺的建設如火如荼之時，阿根廷遭遇有史以來最嚴重的經濟危機和政府變更。阿根廷比索瞬間貶值七成。奧格團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。當時，美國出資方拒絕出錢在美國科羅拉多州建設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日開始了數據采集。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。當一個空氣簇射微粒經過這些水時，就會出現一道光。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據傳送到位于馬拉圭鎮的奧格天文臺總部，從那里發送給全球大約350位科學家進行研究。

他們在這方面的首個十年（2004～2014年）工作，產生了一系列頗有誘惑性的結果，其中包括：許多最高能射線其實并非是常見的質子，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果，能夠揭示超高能宇宙射線的神秘加速機制。但與此同時，這個驚人結果也會危及奧格團隊的核心目標：相對于質子而言，重核更容易被星系間的磁場影響而強烈偏離方向，這會讓重核的方向隨機化，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？奧格團隊不是自扇耳光嗎？

2007年，這個擔憂看來最終消除了。奧格團隊在對采集自27道射線的數據進行了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量黑洞所占據的位置。其含義是，與巨型黑洞有關的某種機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數據的逐漸累積，上述相關性越來越弱。最終，奧格團隊間接承認他們有可能混淆了數據——或許，隨機的星系間磁場干擾了研究結果。但奧格團隊爭辯說，他們當時急于發表研究結果情有可原，他們只是賦予了觀測結果統計學上的意義（而非給出最終結論），以便其他科學家思索、評估這些結果，這也是科學研究的慣例之一。

當然，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量進行更好的測量，由此把相對未偏離方向的質子與較重的微粒區分開。奧格團隊希望，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子來提供統計數據，也許他們就能發現這些射線的源頭。

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鏡負責測量初級宇宙射線微粒的質量。隨著每次空氣簇射在大氣層里下降，這些望遠鏡都會觀測它怎樣擴張和沉積能量。但熒光望遠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，奧格團隊想改為觀測空氣簇射中的μ介子數量。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生，了解它們的豐富度就應該能告訴科學家到達地球的初級宇宙射線是質子還是重核。

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個水箱的內部改造，難怪升級成本高達1500萬美元。支持升級者指出，這一投資是值得的，部分原因是現有探測器陣列幾乎沒機會獲得辨識超高能宇宙射線來源所需的統計數據，但照樣每年得花170萬美元來維持這些探測器運轉。

然而，μ介子探測計劃是否可行尚待檢驗。因此，有關方面依然可能會認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閉。但克洛寧堅持認為，現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，不進行足夠的探索就不可能有太多收獲。阿根廷科學家則指出，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的良好動因。

小小的馬拉圭鎮現在擁有了第一所大學，奧格團隊的科學家和工程師們定期為該校一、二年級的大學生講課。一名2012年入學的女生原本對數學感興趣，但在奧格天文臺了解到越來越多關于宇宙射線的知識后，她改學了物理。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位，其中有許多是阿根廷學生。奧格天文臺的5個升級方案中，有兩個從設計到建造的所有方面都計劃在阿根廷完成。總而言之，奧格天文臺的建立為阿根廷培養了全新一代與國際頂尖物理學家接軌的科研人員，這在該天文臺建立之前是無法想象的。

阿根廷科學部指出，正因為奧格天文臺，阿根廷才現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。目前，阿根廷與巴西聯手，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年發現的。他用彼此隔開的探測器觀測宇宙射線，發現許多粒子同時到達不同的探測器。這一現象現在被稱為“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。當初級宇宙射線（即來自于地球之外源頭的射線）進入地球大氣層的時候，就會產生這些粒子和輻射。射束是指入射粒子 ——可以是一個質子、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，由此產生了許多高能強子。不穩定的強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、質子、反質子、阿爾法粒子、介子、電子、正電子和中微子在內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，全球不同地區的宇宙射線劑量各不相同。飛機上的宇宙輻射劑量很高，機組人員所受到的輻射劑量遠超過其他人。核電站的工作人員亦如此。如果飛行路線經過兩級地區附近高空，輻射劑量則更高。