侯超 董緒強(qiáng)

（中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所 100049）

通過前幾期的宇宙線發(fā)現(xiàn)之旅，我們已經(jīng)知道了原初宇宙線是來自外太空的高能粒子，它們從宇宙深處以接近光速的速度朝我們飛來，各個(gè)方向都有。絕大多數(shù)是帶電粒子，包含太陽宇宙線(能量＜100 GeV)，銀河系宇宙線(100 GeV～100 PeV)和能量大于100 PeV來自銀河系以外的極高能宇宙線。原初宇宙線粒子到達(dá)海拔高度約30 km的時(shí)候開始與地球大氣發(fā)生相互作用，產(chǎn)生廣延大氣簇射。因此，我們?cè)诘孛嫔咸綔y(cè)到的是次級(jí)宇宙線粒子，主要有伽馬光子、電子、繆子等。我們用什么方法來判斷這些原初宇宙線電荷的正負(fù)呢？它們的成分又是怎樣的呢？這正是本期我們要探索的問題。

一、如何判斷粒子帶正電還是負(fù)電

首先我們回顧一下判斷粒子帶正電還是負(fù)電都有哪些方法。在高中物理課本上我們?cè)鴮W(xué)到過，帶電粒子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中受到力的作用，運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。在靜電場(chǎng)中，帶電粒子受到電場(chǎng)力的影響，，當(dāng)帶電粒子垂直電場(chǎng)線運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，正電荷向電場(chǎng)線方向偏轉(zhuǎn)，負(fù)電荷則相反。同樣在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的帶電粒子會(huì)受到洛倫茲力的影響，，力的方向垂直于運(yùn)動(dòng)方向，這種力可以讓帶電粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)。我們可以利用左手定則去判斷電荷所受洛倫茲力的方向，如圖1。

圖1 用左手定則判斷帶電粒子受洛倫茲力方向的示意圖

對(duì)于負(fù)電荷，其受力方向與之相反。圖2(a)顯示的是一支陰極射線管，內(nèi)部充滿了熒光粉，電子通過時(shí)使熒光粉受激發(fā)光就可以看到電子的軌跡了。射線管的左側(cè)陰極發(fā)出熱電子，右側(cè)陽極加高電壓，則電子從陰極飛向陽極。這時(shí)候?qū)⒋盆F靠近陰極射線管，可以看到電子的軌跡發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，如圖2(b)所示，偏轉(zhuǎn)方向與磁鐵磁極的放置方向相關(guān)。老式電視機(jī)里面的陰極射線管就是利用的這個(gè)原理，通過加入特定變化的電磁場(chǎng)，使電子有規(guī)律地打在屏幕上，屏幕在接收到電子后，就會(huì)發(fā)出熒光，也就變成了我們看到的電視畫面。

圖2 陰極射線管(a)，陰極射線管中電子的軌跡(b)(圖片來自網(wǎng)絡(luò))

對(duì)于高能帶電粒子，速度接近光速，要看到明顯的偏轉(zhuǎn)，則需要強(qiáng)電場(chǎng)或強(qiáng)磁場(chǎng)，抑或長(zhǎng)距離偏轉(zhuǎn)。由于長(zhǎng)距離和強(qiáng)電場(chǎng)不容易實(shí)現(xiàn)，對(duì)于強(qiáng)電場(chǎng)目前能做到的最高電場(chǎng)強(qiáng)度1 MV/m，且當(dāng)帶電粒子在強(qiáng)電場(chǎng)中容易發(fā)生空氣擊穿效應(yīng)。因此，我們通常用外加強(qiáng)磁場(chǎng)的徑跡室等探測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)高能帶電粒子偏轉(zhuǎn)的測(cè)量。粒子電荷數(shù)(Z)可通過粒子偏轉(zhuǎn)半徑(ρ)和動(dòng)量(p)給出。其關(guān)系式為Z=p/(0.3Bρ)，這里B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，是已知的。下面舉例子：

通過給云霧室附加磁場(chǎng)，世界上第一個(gè)反物質(zhì)——正電子就被發(fā)現(xiàn)了。云霧室中充滿過飽和水蒸氣或酒精，當(dāng)帶電粒子穿過時(shí)產(chǎn)生離子，蒸汽會(huì)在離子周圍凝聚成液滴顯示帶電粒子的軌跡，這與高空飛機(jī)留下的尾跡是相同的道理。1932年8月2日，美國(guó)加州理工學(xué)院的安德森利用加了磁場(chǎng)的云霧室觀測(cè)到了和電子軌跡相似但方向相反的粒子，通過計(jì)算最后得知此粒子和電子質(zhì)量相等，電荷相反，符合狄拉克對(duì)反電子的預(yù)言，認(rèn)為其為電子的反粒子，也就是正電子[1]。圖3 是非常著名的一張照片，顯示了一個(gè)正電子在帶有磁場(chǎng)的云霧室中從下往上穿過鉛板后部分能量被吸收，徑跡的彎轉(zhuǎn)曲率半徑變小的過程。

圖3 1933年安德森拍攝的一張正電子在有附加磁場(chǎng)和鉛板的云霧室里徑跡的照片[1]

位于中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所的北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)上的北京譜儀探測(cè)器(圖4)，通過在探測(cè)器上加強(qiáng)磁場(chǎng)，測(cè)量正負(fù)電子對(duì)撞后產(chǎn)生的帶電粒子在徑跡室里的偏轉(zhuǎn)方向和半徑大小，從而判斷粒子的電荷正負(fù)以及電荷量(圖5)。

圖4 北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)上的北京譜儀探測(cè)器截面照片(圖片來自網(wǎng)絡(luò))

圖5 正負(fù)電子對(duì)撞后產(chǎn)生的帶電粒子在探測(cè)器徑跡室里的徑跡(黃)(圖片來自網(wǎng)絡(luò))

我們知道地球是有磁場(chǎng)的，在宇宙線穿過地球磁場(chǎng)到達(dá)地面的時(shí)候，會(huì)因?yàn)榈厍虼艌?chǎng)的作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的角度與其能量成反比。在地面上我們只能探測(cè)到次級(jí)宇宙線粒子，下面我們一起來探索如何通過實(shí)驗(yàn)判斷原初宇宙線是帶正電還是負(fù)電。

二、探索原初宇宙線帶電的正負(fù)

1.地球磁場(chǎng)

帶不同電荷的粒子在天然地球磁場(chǎng)中會(huì)如何偏轉(zhuǎn)呢？這與地球磁場(chǎng)的分布和強(qiáng)度有關(guān)，我們先來看看地球的磁場(chǎng)是怎樣的。

地球磁場(chǎng)源自地球內(nèi)部延至太空。主要由基本磁場(chǎng)和外源磁場(chǎng)組成。基本磁場(chǎng)占主要部分(99%)，由地核內(nèi)熔融鐵熱對(duì)流形成電流而產(chǎn)生磁場(chǎng)，地表的磁場(chǎng)近似于一個(gè)磁偶極子如圖6(a)所示。外源磁場(chǎng)主要在大氣層以上，在太陽風(fēng)的影響下變形。如圖6(b)所示，面向太陽的一面磁場(chǎng)分布空間被壓縮，另一面則被拉長(zhǎng)，近似蒼蠅的形狀。地磁場(chǎng)幾十萬年會(huì)發(fā)生一次地磁逆轉(zhuǎn)，南北極位置互換。場(chǎng)強(qiáng)大?。?.25～0.65 G，從兩極至赤道逐漸減弱。地磁傾角：-90°(上)和90°(下)之間，在北半球向下傾，在磁南極指向正下方，并隨緯度下降而逐漸向上，至“地磁赤道”處完全與地表平行(0°)。往南，傾角繼續(xù)向上，直到磁北極處指向正上方。地球磁場(chǎng)尺度約10至200個(gè)地球半徑，而大氣層厚度只有約1/6 個(gè)地球半徑，地球磁場(chǎng)的厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于大氣層的厚度。地磁場(chǎng)能夠使大部分太陽風(fēng)偏轉(zhuǎn)方向，保護(hù)地球大氣層免受太陽風(fēng)中的帶電粒子的剝離，生物體不會(huì)受到紫外線的侵害。

圖6 地球磁場(chǎng)磁偶極簡(jiǎn)化示意圖(a)，地球磁場(chǎng)實(shí)際的分布結(jié)構(gòu)示意圖(b)(圖片來自網(wǎng)絡(luò))

2.早期宇宙線電荷正負(fù)的測(cè)量——“東西效應(yīng)”

原初帶電的宇宙線粒子到達(dá)地球外部的廣袤空間，在與大氣碰撞前就受到了地球磁場(chǎng)的影響而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這樣會(huì)產(chǎn)生一個(gè)被稱為“東西效應(yīng)”的現(xiàn)象[2,3]，即宇宙線粒子來自西面的比來自東面的多。因此到達(dá)地面的次級(jí)宇宙線粒子也相應(yīng)表現(xiàn)出“東西效應(yīng)”來。當(dāng)然，由于不同緯度的磁場(chǎng)強(qiáng)度的不同，對(duì)宇宙線粒子的屏蔽作用也不一樣，因此也有相應(yīng)的“緯度效應(yīng)”。本文只關(guān)注“東西效應(yīng)”。

關(guān)于“東西效應(yīng)”的發(fā)現(xiàn)，歷史上有一些有意思的故事。

1903年，挪威地球物理學(xué)家斯托末在解釋極光產(chǎn)生的原因時(shí)，研究了從遠(yuǎn)處投射到地球磁場(chǎng)中的帶電粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡。利用地球磁場(chǎng)的偶極分布模型，及帶電粒子在磁場(chǎng)中動(dòng)量和角動(dòng)量守恒，通過洛倫茲方程推導(dǎo)，他得到在地球周圍不同區(qū)域，剛剛能夠進(jìn)入的粒子的方向和動(dòng)量是不一樣的，即對(duì)不同方向入射的宇宙線的截止動(dòng)量是不同的。這種現(xiàn)象對(duì)于正負(fù)電荷有相反的規(guī)律[2]。

1930 年，布魯諾·羅西聽說了斯托末的宇宙線粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的理論后，于1930年7月3日，向Physical Review寄了一封信預(yù)測(cè)了一種不對(duì)稱的現(xiàn)象——東西效應(yīng)。由于地磁場(chǎng)的存在，當(dāng)帶正電的宇宙線經(jīng)過磁場(chǎng)時(shí)就會(huì)受磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)，不同方向來的粒子的截止剛度不一樣，來自東邊的截止動(dòng)量比西邊的高，所以東邊有更多的宇宙線無法到達(dá)地面[2]，對(duì)于帶負(fù)電的宇宙線，結(jié)果正相反。因此可以通過東西效應(yīng)揭示宇宙線粒子的電荷性。羅西預(yù)測(cè)宇宙射線的到達(dá)方向應(yīng)該存在東西不對(duì)稱性，來自哪個(gè)方向的多取決于它們的電荷符號(hào)，這種效應(yīng)在赤道附近應(yīng)該更為明顯。

羅西設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)用于測(cè)量宇宙線的東西效應(yīng)。他使用電子真空管記錄來自蓋革計(jì)數(shù)器的同步脈沖。他將三個(gè)探測(cè)器分別按照?qǐng)D7的方式水平放置，編號(hào)0、1和2號(hào)探測(cè)器。1和2號(hào)探測(cè)器中心連線是正東西方向。宇宙線粒子穿過0和1號(hào)探測(cè)器時(shí)(從西邊來的宇宙線粒子)，或者0和2號(hào)探測(cè)器(從東邊來的宇宙線粒子)時(shí)才可以產(chǎn)生計(jì)數(shù)，這叫做“宇宙線望遠(yuǎn)鏡”。因此，羅西的宇宙線望遠(yuǎn)鏡可測(cè)量從東方和西方傾斜穿過的宇宙線粒子，并對(duì)兩個(gè)方向的計(jì)數(shù)進(jìn)行比較。

圖7 羅西設(shè)計(jì)的宇宙線望遠(yuǎn)鏡示意圖

1930 年羅西在佛羅倫薩(北緯43.7 度)附近的Arcetri物理研究所做了實(shí)驗(yàn)，沒有看到明顯的東西效應(yīng)。

之后，多位實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家在不同地點(diǎn)多次進(jìn)行了東西效應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量。

約翰遜和斯特里特于1933 年在華盛頓山上做了實(shí)驗(yàn)，坐標(biāo)為55°N，海拔1920 m，發(fā)現(xiàn)東西分布基本對(duì)稱。

1933年秋，羅西與貝內(nèi)代蒂合作，在阿斯馬拉附近的厄立特里亞，地磁緯度較低(北緯13 度)，海拔較高，為測(cè)量提供了很好的條件，這一次顯示出明顯的東西效應(yīng)。這表明測(cè)量到的次級(jí)宇宙線粒子主要是由帶正電的原初宇宙線與大氣碰撞產(chǎn)生的。

1933年4月，約翰遜利用萊邁特雷和瓦利亞塔的計(jì)算并根據(jù)康普頓的強(qiáng)度測(cè)量估計(jì)赤道和34°之間的地磁緯度范圍內(nèi)可以檢測(cè)到東西效應(yīng)。

路易斯·阿爾瓦雷斯和康普頓也對(duì)萊邁特雷和瓦利亞塔的計(jì)算感興趣，他們?cè)谀鞲邕M(jìn)行了一系列的測(cè)量，結(jié)果表明，在天頂角30°和65°之間的角度上，西方強(qiáng)度大于東方強(qiáng)度，東西效應(yīng)在45°左右達(dá)到最大值。他們的論文相繼發(fā)表在同一期的“物理評(píng)論”中。根據(jù)后來越來越多的測(cè)量得到這種差異在赤道地區(qū)是最明顯的，海平面東西差異約15%。在較高的海拔差異更大。較大緯度的不對(duì)稱性降低，在50°N，這只有2%或3%。

通過上面介紹的宇宙線東西效應(yīng)發(fā)現(xiàn)的歷史，我們做一個(gè)簡(jiǎn)單的總結(jié)。在某一固定天頂角下，不同方向測(cè)量粒子通量，南面的通量等于北面，西面高于東面。東西效應(yīng)可以用地磁截止動(dòng)量隨入射角的變化來解釋。在赤道，東面來的粒子截止動(dòng)量60 GeV，西面是10 GeV，東面來的宇宙線粒子有比較大一部分被阻擋在了地球外面。

東西效應(yīng)與地磁緯度λ，海拔高度h和天頂角θ有關(guān)。緯度越大，則東西效應(yīng)越小，海拔高度越大則東西效應(yīng)越大。天頂角越大東西效應(yīng)越大，但在大天頂角下(θ＞60 度)，由于大氣已經(jīng)很厚了，造成不對(duì)稱性的低能粒子被大氣吸收，地面上觀測(cè)到的東西效應(yīng)就不明顯了。

2022 年6 月在北京(北緯40 度)，我們利用前面介紹過的校園宇宙線項(xiàng)目的繆子望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)(如圖8)進(jìn)行了東西效應(yīng)的測(cè)試。系統(tǒng)放置在四周無建筑物遮擋的位置，防止某個(gè)方向的次級(jí)宇宙線粒子被吸收，影響測(cè)量結(jié)果的正確性。望遠(yuǎn)鏡軸分別對(duì)著東西方向30.0±0.1度。兩個(gè)方向分別測(cè)量了次級(jí)宇宙線粒子的事例率。由于北京海拔接近海平面，宇宙線次級(jí)粒子中的電子等被大氣吸收，而繆子的穿透能力強(qiáng)會(huì)到達(dá)地面，因此測(cè)量到的大部分是繆子信號(hào)。信號(hào)脈沖幅值100 mV左右(通過調(diào)整高壓)，電子學(xué)閾值設(shè)置在10～15 mV，以保證較好的信噪比。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，利用公式(1)計(jì)算東西方向事例率的不對(duì)稱性。

圖8 繆子望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)照片

每次測(cè)量事例數(shù)不小于1萬，統(tǒng)計(jì)誤差小于1%；在東西30°方向進(jìn)行了兩次測(cè)量得到∈=(3.2±1.4)%。

3.地月磁譜儀-月影的偏移

我們知道月亮陰影是宇宙線在穿過星際空間向地球傳播的過程中，由于月球的遮擋使得在月亮方向的宇宙線出現(xiàn)缺失而形成的。宇宙線大部分是帶電粒子，所以其從月球傳到地球過程中會(huì)受到地磁場(chǎng)的作用而偏轉(zhuǎn)，相應(yīng)月亮陰影的位置也會(huì)偏移，偏移量與帶電粒子的能量成反比，正負(fù)粒子偏轉(zhuǎn)的方向相反。如果宇宙線帶正電荷，根據(jù)左手定則判斷宇宙線向東偏轉(zhuǎn)，反推出月影向西偏移，反之則向東偏移。地面宇宙線陣列實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果顯示宇宙線月亮陰影向西偏移，隨著能量的增加，月亮陰影向西的偏移越來越小。因此我們得出結(jié)論，宇宙線是帶正電的。

4.背著探測(cè)器到大氣層頂部直接測(cè)量宇宙線電荷及成分

前面介紹的兩種方法都是通過在地面測(cè)量次級(jí)宇宙線粒子推測(cè)原初宇宙線帶電的正負(fù)，稱為間接測(cè)量。隨著科技的進(jìn)步，人類將探測(cè)器搭載氣球、衛(wèi)星和空間站飛到大氣層上部或大氣層外直接測(cè)量原初宇宙線。載荷上有多種探測(cè)器，如徑跡探測(cè)器，飛行時(shí)間探測(cè)器，環(huán)成像切倫科夫探測(cè)器，量能器等，通過符合測(cè)量可直接獲取原初宇宙線粒子的電荷和成分信息。

氣球運(yùn)載的“宇宙線能量和質(zhì)量(CREAM)”實(shí)驗(yàn)(圖9)在南極上空飛行了六次161 天，平均高度～38.5千米，通過測(cè)量宇宙線核子的元素光譜，測(cè)定了Z=1～26 宇宙線原子核成分，覆蓋能量范圍從10 GeV到100 TeV。

圖9 CREAM實(shí)驗(yàn)照片(a)和DAMPE實(shí)驗(yàn)圖片(b)(來自網(wǎng)絡(luò))

阿爾法磁譜儀，Alpha Magnetic Spectrometer(AMS-02)于2011年5月發(fā)射升空，國(guó)際空間站軌道高度400 km。其搭載的磁譜儀可以有效區(qū)分電荷的正負(fù)，通過多種探測(cè)器符合測(cè)量，可以實(shí)現(xiàn)原初宇宙線能譜與成分豐度的精確測(cè)量。

2015 年12 月我國(guó)發(fā)射的暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星(DAMPE)，通過多種探測(cè)器符合測(cè)量的手段測(cè)量了入射粒子的電荷、方向和精確能量信息，探測(cè)電子和光子的能量最高可達(dá)10 TeV。

三、原初宇宙線的成分

在大氣層頂部，已測(cè)量到宇宙線粒子中含量最多的是質(zhì)子，其次是氦核，還有少量重核，三者比例大約是9：1：0.1，這些原子核構(gòu)成宇宙線成分的99%。另有約1%的電子，γ光子和超高能中微子只占極小的一部分。

宇宙線是來自宇宙中的物質(zhì)樣本，其成分與太陽系類似。圖10 顯示了宇宙線元素豐度的測(cè)量結(jié)果?？煽吹接钪婢€的某些元素比太陽系的豐度高(Li、Be、B、Ti、V、Cr、Mn)，它們可能是在宇宙線傳播過程中由重核(C、O、Fe)與星際介質(zhì)碰撞碎裂產(chǎn)生的。高能宇宙線來源目前是個(gè)謎。

圖10 宇宙線原子核豐度測(cè)量結(jié)果，1～30號(hào)元素(a)，超重核豐度(b)(來自網(wǎng)絡(luò))

四、小結(jié)

通過前面系列對(duì)宇宙線的探索，我們現(xiàn)在對(duì)宇宙線有了一定的認(rèn)識(shí)。宇宙線能量從GeV 到超過100 EeV，分為太陽宇宙線，銀河宇宙線及銀河系外的極高能宇宙線。銀河宇宙線成分主要有質(zhì)子、α粒子、電子和中微子以及高能γ射線。這些我們稱為原初宇宙線，他們從宇宙深處以接近光速的速度朝我們飛來，各個(gè)方向都有。原初宇宙線粒子到達(dá)地球大氣層，與地球大氣粒子相互作用，產(chǎn)生廣延大氣簇射，我們?cè)诘孛嫔嫌^測(cè)到的是次級(jí)宇宙線粒子，主要有伽馬光子，電子，繆子等。

本文，我們通過對(duì)100 多年前斯托末預(yù)言的宇宙線“東西效應(yīng)”的觀測(cè)，有效證明了宇宙線的帶電性——宇宙線主要是由正電荷組成。當(dāng)然，這只是間接得到宇宙線的帶電性的信息，對(duì)我們理解宇宙線的帶電性還不夠直觀，直觀一點(diǎn)的方法是把利用不同電荷在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)方向不同而制造出的磁譜儀放在太空中，就像阿爾法磁譜儀一樣，通過直接測(cè)量宇宙線在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)方向去確定宇宙線的帶電性。

至此，宇宙線發(fā)現(xiàn)之旅告一段落，讓我們一起來探索宇宙線的未解之謎，揭開銀河系高能宇宙線的起源、加速和傳播機(jī)制的答案！