中的高能粒子 作者:[澳]罗杰·柯莱-第24章
按键盘上方向键 ← 或 → 可快速上下翻页，按键盘上的 Enter 键可回到本书目录页，按键盘上方向键 ↑ 可回到本页顶部！
————未阅读完？加入书签已便下次继续阅读！
臣迫ㄖ睾艿停蓟雇Ａ粼诳尚哦鹊谋呱稀５珻ygX^3的结果，指出有一类重要的天体，在我们银河系中担负着加速许许多多宇宙射线的任务，于是新的检测器又瞄向一个重大目标。
超星系平面——我们的星系际邻居
让我们再回到对能量高于10^19eV的宇宙射线的讨论。我们已经知道，这个能量周围的能谱斜率的改变，形成踝状部分，指明这些粒子起源的不同类别。由于这些粒子具有极高的能量和携带着很小的电荷，所以我们相信它们冲过宇宙磁场时受到的偏转较小。可是，直到最近的测量结果显示，这些粒子的到达方向似乎还是均匀地分布在天空的各个地方。天空任何部分都看不出有到达方向略显汇聚的迹象。这便是使从事这一观测研究的每个人感到最大的失望之处。归根结底，这一领域的大多数实验者，从火山牧场的林斯利和哈佛拉公园的威尔逊开始，就期望宇宙射线的起源在十数年之内通过他们的观测实验会得到解决。30年过去了，虽然排除了许多疑难，但仍然面对着很大困惑。很难找到一个宇宙射线物理学家，他会坚信最高能量宇宙射线粒子是在银河系以内产生的。不过，没有发现到达方向存在明显的聚集现象的事实，并不说明宇宙射线源就在所有的方向上，当然，问题还是由于缺乏数据。30年来，全世界只观测到能量在10^19eV以上的宇宙射线1000例，其中只有100例能量高于6×10^19eV。天图上没有显示出这些粒子的到达方向存在任何聚集现象，或许并不令人吃惊。要想查明到达方向到底是否有任何不显著的聚集现象，还需要统计技术的帮助。
但是到底应该向什么地方查看呢？如果我们假定宇宙射线是在银河系以外的其他星系起源的，须考察宇宙射线到达方向是否与星系方向有关才有道理。你如果到郊外去看夜空，就会看到银河像一条宽宽的星带从地平线到另一边地平线。在这条星带的外面你所看到的星星点点，其中有些实际上是遥远的星系。假如通过大望远镜把所有这些星系都绘制成图，就会看出它们均匀地分布在天空上。换句话说，宇宙在大尺度上是各向同性的。因为我们知道星系有成群结队的趋势，所以在较小的尺度上并不真正各向同性。我们所在的星系是20来个星系所组成的一群之中的一个成员，这群星系被称做本星系群！其中最突出的星系是我们的星系和仙女座星系。其余大多为矮星系和大、小麦哲伦云那样的不规则星系，但它们却形成了直经约在400万光年的一个独特群体。在不很远的地方，约在5000万光年的距离处，就是室女座星系团，它是直经约700万光年之内聚集着1000个星系的大星系团。由于离我们相对较近，而且范围较大，这个星系团在北半球的夜空中外观显著。室女座星系团中包含着一些引人注目的天体，包括三个巨椭圆星系，它们每个都大到足以把我们整个本星系群吞下去！
当你听说星系团倾向于成团存在时，可能不会感到惊奇。例如，我们的本星系群和室女座星系团就是同一个星系团的集团的成员，称为超星系团，其直经约有1亿光年。实际上，统观宇宙会使我们想到星系的分布就像一把把的肥皂泡似的。星系所形成的结构类似于一些被空洞隔开的墙，所谓空洞就是星系较少的地带。那么，对宇宙射线起源来说这种结构意味着什么呢？
因为我们实际上并不需要考察很远的地方，所以宇宙结构的复杂性质对我们来说可以简化。我们知道，由于格雷森扎采品效应，宇宙微波背景的存在为能量高于6×10^19eV的宇宙射线质子能行进多么远的路程设置了极限。即便是最远的限度，也只能期待最大距离为3亿光年。对可能是重核的宇宙射线也存在类似的距离限度，它们在星系际空间与背景辐射光子的碰撞，使它分裂成碎片。如果我们现在把考察范围局限在3亿光年以内的全部星系上，会发现它们的分布是相对均匀的，但显出某些墙和洞的迹象。特别应当提到的是，有一条墙形结构，是20世纪50年代由法国美国天文学家G·伏库勒（Gerardde Vaucouleurs）发现的，这个墙状结构包含着我们的本星系群，室女座星系团以及其他邻近的星系团。这条墙形结构被称做超星系平面。开始宇宙射线物理学家对这个平面并不在意，直到20世纪90年代初，当在欧洲工作的一位澳大利亚天文学家P·沙佛尔（Peter Shaver）发现了一些相当重要的事件之后，才引起特别的兴趣。在沙佛尔绘制的显示附近强射电星系（而不是全部星系）位置的天图上，发现超星系平面变得更加明显。似乎3亿光年以内的全部强射电星系都处在这个超星系平面约20度以内的地方！把那些强射电星系当成首要的宇宙射线源候选者，引起了部分宇宙射线研究领域的研究者们的关注。
特别是，哈佛拉公园阵列的瓦特逊和J·劳埃德伊文斯（Jeremy LloydEvans）以及两位有创新才能的理论家T·斯坦尼夫（Todor Stanev）和P·别尔曼（Peter Biermann），决定再一次对来自哈佛拉公园、火山牧场以及伊尔库茨克的数据资料进行检验。他们渴望知道到底有没有宇宙射线由超星系团平面发出的任何线索。1995年发表了他们的研究结果，由于他们确实从数据检验中找到某些超星系方向上宇宙射线到达方向的聚集迹象，所以在天体物理学界激起了很大兴趣。这个研究组所提出的问题是，如果假定最高能量宇宙射线就是从天空所有方向上到达的，那么偶然观测到的汇聚的到达方向其概率有多大？到达方向均匀的假定是适宜作出检验的假说，如果这个概率很小，则为可供选择的假说所提供的权重侧重在宇宙射线的到达方向并不均匀。计算表明，观测到偏离均匀性的概率为0。035。数值虽小但并没有小到足以确认超星系平面就是宇宙射线来源之一。
疑惑依然遗留在许多人的心中，认为瓦特逊和他的同事们不够幸运，观测到一个偶然的方向聚集而不是均匀的到达方向？这个工作仍然在鼓励其他人把超星系平面当作有可能的宇宙射线发射源区域来对待。在阿德莱德学习的一个学生L·秋莱（Lisa Kewley）和她的两位导师一同考察了南半个天球，看那里是否存在着类似的来自超星系的成团到达现象。SUGAR阵列是南半球建成的惟一检测系统，它监视的天空区与其他检测系统很不相同。它能看到北方阵列看不到的超星系平面区域。但是非常令人失望，在秋莱小姐考察宇宙射线最高能量SUGAR事例的到达方向时，该超星系平面附近未见有成团到达的迹象。显然这就又引出某些有趣的问题。难道北半个天球取得的结果错了吗？还是超星系平面南方区域的星系所产生的宇宙射线粒子数与北方区域的有所不同？看来僵局还得留待观测到更多最高能星粒子之后才有可能打破。所幸不一定需要再等待30年，第一流的新型检测器有的正在建造有的正在设计。前进的步伐会不断加快。
高分辨率的蝇眼——〃HiRes〃
尽管蝇眼检测器过去的观测实验相当成功，还是没能解决关于最高能量宇宙射线起源的根本问题。许多人对此都感到失望，而直接推动该项实验的卡西迪更是如此。卡西迪把自己专业生涯的大部分时间精力投入到这里。20世纪80年代后期，他的兴趣开始转向其他方向。他买到一辆红色高速跑车，另外还开始写教科书，科学工作也转到物理学的其他领域，甚至包括生命力学。大家都认为这是宇宙射线研究领域的很大损失，可是卡西迪一直迷恋着改变后的兴趣方向。不过他的原研究组中还有些其他资深成员准备继续干下去，其中有卡西迪在康乃尔大学时的同事G·洛赫（Gene Loh）和P·索考尔斯基（Pierre Sokolsky）。他是一位宇宙射线研究领域的新来者，先前在纽约的布鲁克海汶国家实验室作中微子物理学工作，后来才到到犹他研究组。当时是1987年，开始计划向第二代蝇眼检测器进军。在若干年前，卡西迪和研究组其他成员已经非正式地对新的计划有所考虑，只是到了这一年才开始进行认真计算。目的是向资金经办机构美国国家科学基金会提出申请报告。方向很明确，为了增加观测事件率，新检测器必须能对更远的簇射进行检测。
最初的蝇眼能在1000平方千米的面积上检测最高能量空气簇射，这还很不够！新检测器的检测面积至少需要比这大5倍。要想看得更远的一个明显的办法就是加大光线收集器——反射镜的面积，这样就能捕获到从更远的簇射发出的微弱闪光。新反射镜将用2米直径的，而不是原来所用的15米的。这样反射镜的面积可以增大的因数略小于2。在反射镜焦面上放置的光检光电倍增管情况怎样呢？在原来的蝇眼上使用的光电倍增管所给出的图像是一系列六角形象素，每个象素约横跨5°。这样粗糙的天空图像需要作改进的理由起码有好几条。首先，新检测器所要观察的簇射距离很远，因而簇射长度相应的视角很小。出现在30千米外大气底层10千米的大部分簇射的展开活动，其张角只有20°。整个簇射只能填充在4个蝇眼光电倍增管的象素之内，所以只能取得亮度与到达时间的4组测量数据。另外，即便是较近的簇射，能获取到簇射展开的较细的情节，其好处也是显然的。在确定到达方向、计算能量和宇宙射线质量上，将使得检测器的功能得到改进。从科学观点和经费许可两方面来看，犹他研究组认为把象素直径定成1°是较为理想可行的。可是，象素直径按因数5减小时，覆盖天空同样面积所需要的象素数量将按因数25增大！高分辨率的新蝇眼设计方案〃HiRes〃就是按照这个要求建造的。
从启动HiRes计划的时候起，有一件事就很明确，那就是沿着蝇眼Ⅰ和蝇眼Ⅱ的立体观测的成功路线继续前进。我们已经讨论过，用两套分离的蝇眼检测器观测簇射显著地改善了宇宙射线到达方向和能量的测量精度。HiRes方案是个雄心勃勃的计划。该研究组将建立三个HiRes站址，各站建在等边三角形的顶点位置，边长为15千米。比相互距离为3千米的老检测器布局增大了很多，可以想见到HiRes的威力之大。这个计划还显示了犹他研究组的实验者们集中攻克最高能量（最明亮）宇宙射线簇射的愿望与决心。每个站址上都包括一共78台反射镜，每台反射镜的焦面上都群集着256只光电倍增管。换句话说，HiRes设计要求采用的光电倍增管竟多达60000只！这项计划绝不是犹他研究组独自能够对付的。索考尔斯基说服他的研究中微子物理学的老同事们作为合作者来参加这项计划。从哥伦比亚大学和伊利诺斯大学来参加的那些研究组，对粒子加速器上进行的大型实验很有经验，能把工程和物理方面的经验和知识注入该项计划。1992年，来自阿德莱德大学的宇宙射线研究组在同蝇眼有过长期合作的基础上也正式加入这项任务。在以往合作的十年中，曾有4位阿德莱德大学的哲学博士毕业生在研究计划中拿到了研究职位。
20世纪90年代初，并不是向美国基金经办机构申请巨额经费的好时机。那时对整个HiRes计划所要求的大约1500万美�
![第二次世界大战中的苏联空军 [美] 肯尼思·r·惠廷著封面](http://www.beike3.com/cover/noimg.jpg)