記者 朱芙蓉
原文鏈接：http://www.stdaily.com/gb/stdaily/2008-01/17/content_766221.htm
2007年12月20日，美國科學(xué)促進(jìn)協(xié)會宣布，其屬下的美國《科學(xué)》雜志公布了2007年度科學(xué)研究十大突破，人類基因組個體間差異的發(fā)現(xiàn)位居榜首，用人類皮膚細(xì)胞仿制出胚胎干細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)銀河系能量最大的宇宙射線，發(fā)現(xiàn)人體蛋白受體結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)人類大腦的重要記憶中心等都被列入其中?！?/P>
《共享科學(xué)》欄目將從中選取普通百姓比較關(guān)心的研究成果給予深度解讀，敬請關(guān)注。
極高能宇宙射線的起源一直是宇宙學(xué)最大的謎團(tuán)之一，這些攜帶1018—1020電子伏的高能粒子比原子還小，但卻具有如同高爾夫球撞入草地時的能量?！?/P>
俄歇天文臺的科學(xué)家們根據(jù)16個月所收集到的數(shù)據(jù)，于2007年11月9日在美國《科學(xué)》雜志上發(fā)表了一份報告，指出宇宙射線的起源有可能與周圍的劇烈物質(zhì)活動有關(guān)。此結(jié)果一出，立即引起了極大轟動，并于2007年底被《科學(xué)》評為年度十大突破。宇宙線物理這一歷史悠久的高能物理研究領(lǐng)域在沉寂了半個多世紀(jì)后首次成為科學(xué)界備受關(guān)注的焦點?！?/P>
那么，關(guān)于極高能宇宙射線的研究究竟是如何展開的？為何會出現(xiàn)研究爭論？這個研究到底有何深遠(yuǎn)意義？記者采訪了國內(nèi)長期從事極高能宇宙射線來源研究的專家，中國科學(xué)院高能物理研究所曹臻研究員?！?/P>
———巨大發(fā)現(xiàn)———射線可能源自遙遠(yuǎn)黑洞
南半球的俄歇實驗，從2006年5月至2007年9月收集到的13個能量高于56×1018電子伏的宇宙射線事例中發(fā)現(xiàn)，有8個事例與距離小于2.5億光年的活動星系核位置在3.1度的范圍內(nèi)相吻合，而且呈現(xiàn)出不均勻的線狀分布?！?/P>
根據(jù)這一結(jié)果，俄歇的科學(xué)家推斷出極高能宇宙線可能源自于遙遠(yuǎn)的星系，特別是位于這些星系中心劇烈活動的天體，通常是質(zhì)量巨大的黑洞?！?/P>
結(jié)論具有劃時代意義
千百萬年來，極高能宇宙射線不停地從宇宙深處“光顧”地球，在穿過地球大氣層時與大氣中的氧、氮等原子核發(fā)生碰撞，并產(chǎn)生出超高能次級粒子，這些次級粒子有足夠的能量再次撞擊，形成更加微小的下一代粒子，如此繼續(xù)下去，形成了龐大的粒子流降落地球之上。然而在地球上每平方公里100年才能等到1粒極高能宇宙射線粒子！在過去的50年間，科學(xué)家利用各種探測手段僅探測到少數(shù)能量高達(dá)1020電子伏的高能粒子，這使極高能宇宙射線起源的研究更加困難。
這個結(jié)果如果被證實，將具有劃時代的意義！它將解開宇宙射線起源之謎，開啟“宇宙線粒子天文學(xué)”窗口，為探索與星系核內(nèi)部劇烈活動相伴隨的高能物理過程提供有效的手段和方法。此外，人類將有可能研究粒子被加速到如此之高能量的“宇宙加速器”的天體物理機(jī)制和原理，將對未來宇宙射線天體物理，乃至高能物理和加速器物理研究產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響?！?/P>
———業(yè)界質(zhì)疑———同樣方法得不到同樣結(jié)論
但是這一結(jié)果剛一出來，曾經(jīng)為北半球的HiRes（高分辨率“蠅眼”）實驗工作的科學(xué)家們，立即利用HiRes收集到的數(shù)據(jù)，采用與俄歇相同的數(shù)據(jù)分析方法進(jìn)行驗證，卻沒有得出同樣的結(jié)論。在俄歇發(fā)表結(jié)論后的第10天，HiRes的科學(xué)家將他們的質(zhì)疑發(fā)表在英國《自然》雜志的新聞欄目里面，使得極高能宇宙射線的來源又陷入了懸而未決之中?！?/P>
在俄歇實驗運行之前，世界上最大的極高能宇宙線觀測實驗是位于北半球的HiRes實驗，它擁有北天區(qū)最大曝光量的實驗觀測數(shù)據(jù)。這個實驗在2006年4月完成數(shù)據(jù)收集工作后停止運行。曹臻在HiRes實驗組工作了近10年，如今帶領(lǐng)中科院高能物理研究所HiRes國際合作研究小組正在對HiRes立體觀測實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的物理分析?！?/P>
“得知俄歇實驗的結(jié)論后，我們小組及時地開展了相關(guān)的關(guān)聯(lián)分析，并與美國猶他州大學(xué)和新澤西州州立大學(xué)的研究小組獨立分析了HiRes數(shù)據(jù)，共同確定了對俄歇實驗結(jié)果的回應(yīng)。”曹臻說，“最終我們發(fā)現(xiàn)，HiRes實驗所觀測到的13個事例中，僅兩例與活動星系核的位置相吻合?！薄?/P>
———國內(nèi)進(jìn)展———我國投入還非常少
“極高能宇宙線研究在中國剛剛起步，迄今為止我國在極高能宇宙線研究的實驗研究投入還非常少，與國際上巨大規(guī)模實驗研究相比，還有相當(dāng)大的差距。極高能宇宙線研究發(fā)展至今天的水平，惟有開展大規(guī)模的國際合作才可能，例如俄歇實驗就整合了33個國家的共同資源開展的?！辈苷檎f。
具備了一定的研究基礎(chǔ)
我們也開展了多年的預(yù)備性研究，完成了可行性分析。在實驗手段上，我們已經(jīng)獨立研制成功了兩臺熒光望遠(yuǎn)鏡，實現(xiàn)了西藏羊八井與現(xiàn)有宇宙線探測裝置的聯(lián)合觀測試運行。在探測器標(biāo)定、事例重建、物理分析等方面已經(jīng)具有明顯的優(yōu)勢，美日聯(lián)合的TA實驗已經(jīng)多次發(fā)出邀請希望中國加入。
我國還能夠獨立完成物理課題豐富的所謂“第二膝”能區(qū)的觀測研究，探索與宇宙射線從銀河系內(nèi)的起源向銀河系外的起源轉(zhuǎn)換相關(guān)的現(xiàn)象，實現(xiàn)跨越三個能量量級的極高能宇宙線完整、一致的觀測研究，徹底地解決與極高能宇宙線相關(guān)的各種未解的重大問題?！?/P>
■專家連線
記者：目前，俄歇天文臺的結(jié)論只是建立在觀測了13個事例的基礎(chǔ)上，下一步將如何完善這個實驗？
曹臻（中國科學(xué)院高能物理研究所研究員）：客觀上，十幾個事例的觀測結(jié)果的確存在很大的偶然性，進(jìn)一步觀測積累更大的統(tǒng)計量是徹底解開宇宙線起源之謎的唯一途徑。俄歇實驗?zāi)壳耙呀?jīng)基本完成了探測器的全部投放和安裝調(diào)試，更大規(guī)模的觀測數(shù)據(jù)收集正在進(jìn)行。假如經(jīng)過3到4年的觀測，事例增加到50例還能夠得到類似的觀測結(jié)果，那將是了不得的發(fā)現(xiàn)，將完全確定這一結(jié)論的可靠性，徹底解開潛藏了80多年的謎團(tuán)?！?/P>
記者：HiRes實驗2006年終止以后，目前除了俄歇天文臺繼續(xù)進(jìn)行極高能宇宙射線的研究以外，世界上還有類似的實驗嗎？
曹臻：現(xiàn)在世界上在運行的最高能量宇宙射線實驗只有兩個。俄歇實驗在南半球，監(jiān)測的是南半球的天空。而HiRes實驗已經(jīng)與日本的原AGASA實驗組合作，在北半球的美國猶他州初步建成了面積約為俄歇天文臺規(guī)模1/3的“望遠(yuǎn)鏡陣列（TA）”實驗。今年年初正式投入觀測運行，成為與俄歇實驗互補(bǔ)的宇宙線實驗大裝置。兩個實驗同時運行可以相互驗證觀測結(jié)果?！?/P>
記者：目前極高能宇宙射線的觀測手段有哪些？各有什么優(yōu)缺點？
曹臻：第一種是俄歇實驗主要采用的地面陣列，即采用放在地面的大面積排列的探測器來收集粒子。雖然各種實驗采用的地面探測器原理不用，有的用光信號、有的用電信號，但都是為了檢測粒子到達(dá)的時間和數(shù)目信息，并以之確定原初極高能宇宙線粒子的到達(dá)方向和能量，分析它們的成分。它的優(yōu)勢是不太受氣候等條件影響，不怕光、不怕人多的環(huán)境，可以24小時工作，長時間穩(wěn)定運行。弱點是，地面陣列相當(dāng)于在一個平面上等待粒子打上來，才能記錄到，并不能觀測到從一個粒子發(fā)展到109個粒子的過程。
第二種就是HiRes實驗采用的熒光探測器。因為高能粒子穿過氮分子時會激發(fā)氮分子至較高的能態(tài)，回落時會發(fā)出微弱的光。在沒有月亮的晴朗夜晚，利用“蠅眼”裝置，通過每個孔徑約為5平方米的望遠(yuǎn)鏡可以收集到這種微弱的光。它的優(yōu)勢在于可以記錄到粒子數(shù)目從小到大到衰減的縱向發(fā)展過程，信息量大，總能量的測量更加準(zhǔn)確。但是，這種實驗怕光，白天和有月光的晚上都沒有辦法做，全年只有1/10的時間可以用于探測。這也是為什么俄歇實驗僅用了2年時間就收集到HiRes實驗7年收集到的數(shù)據(jù)量的原因。
記者：除了極高能宇宙射線的研究外，是否還有其他研究可以推斷出宇宙射線的起源？
曹臻：除了極高能宇宙線粒子天文學(xué)以外，有初步證據(jù)表明，能量低7個量級的伽馬天文學(xué)契倫科夫望遠(yuǎn)鏡實驗和能量低4個量級的超高能中微子望遠(yuǎn)鏡實驗都有可能在宇宙線起源問題的解決上取得重大突破。
?。萍既請螅?008年1月17日，第六版）
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