宇宙射线的超光速运动将自己暴露

原文链接:Cosmic Rays Are More Energetic Than LHC Particles, And This Faster-Than-Light Trick Reveals Them

宇宙射线比最强大的加速器——强子对撞机(LHC)中的粒子的能量还高,其超光速运动暴露了自己的神秘身影……



宇宙射线是超高能粒子,来自宇宙各处,它撞击上层大气中的分子的原子核,并产生大量新粒子。这些带电粒子运动速度极快,比空气中的光速都快,因此会发生切连科夫辐射,并产生二级粒子,可以在地球上探测到。

宇宙中所有物体的速度都有上限——真空中的光速——这可能是真的,但这并不意味着一个粒子的能量有上限。当你给一个巨大的粒子注入越来越多的能量时,粒子会运动得越来越快,逐渐接近宇宙的极限速度。但吊诡的是,粒子的能量越大,就越难以对其进行准确地探测和测量。

原因很简单:为了测量一个粒子的能量有多大,你的探测器要经得住粒子的衰变及其产物的能量,然后你才能够反推原始粒子的能量、质量、电量等等。简单地建造一个规模更大、块头更大的探测器来探测宇宙射线能量是不可行的,因为宇宙射线能量可以达到大型强子对撞机的数百万倍。但是,让光速慢下来,物理学家们利用一个不可思议的技巧测量出宇宙射线能量。



待组装的紧凑μ子线圈(CMS),这是史上体积最大、密度最大的探测器之一。粒子在探测器中心碰撞,粒子轨迹和碰撞产物及能量被探测器记录下来,由此,科学家能够推断出这个过程中产生的各种粒子的性质和能量。但是,这种方法对于测量宇宙射线的能量是远远不够的。

增加粒子的能量,它与另一个粒子进行相互作用就会变得更容易。任何相互作用都有机会自发地创造出新的粒子和反粒子——按照爱因斯坦的公式$E = mc^2$要求的方式——或者发出辐射量子:光子。一个粒子运动得越快,它就越有可能与其他粒子发生相互作用,辐射出更多的粒子,并在这个过程中失去能量。

为粒子“赋能”,得到高能粒子的当仁不让的首选方法是借助电磁力。带电粒子置于电场中,它就朝着电场的方向加速;带电粒子置于磁场中,就会有一个同时垂直于磁场方向和粒子的运动方向的加速度。宇宙中最强大的天然加速器并不在地球上,而是在极端的天体物理环境中:中子星和黑洞周围。



黑洞周围环境的艺术图,图上显示的是一个由过热等离子体和相对论射流组成的吸积盘。科学家还不确定黑洞是否有独立于其外部物质的磁场。许多高能宇宙射线的来源都与黑洞或中子星有关。

在地球上,我们用粒子加速器把诸如质子和电子等粒子加速到实验室条件允许的最高速度,这个速度非常非常接近真空中的光速,即爱因斯坦在1905年提出的宇宙终极速度极限:$c$,即299,792,458米/秒。但即便如此,粒子加速器中的粒子的速度之快,能量之大,依然根本无法与我们所见过的宇宙射线相比。

费米实验室最快质子:能量980 GeV,速度299,792,320 m/s,是真空光速的99.999954%。

  • LHC中最快质子:能量 7TeV,速度299,792,455 m/s,是真空光速的99.999990%。
  • LEP中最快电子(加速器中得到的最快的粒子):能量105 GeV,速度299,792,457.9964 m/s,是真空光速的99.9999999988%。
  • 最快宇宙射线:能量$5 × 10^{10}$ GeV,速度299,792,457.99999999999992 m/s,是真空光速的99.999999999999999999973%。

在地球上的加速器上得到与绝对速度最快的粒子相媲美的粒子根本没戏,根本不在同一个档次上。



哈勃空间望远镜拍摄到的NGC 1275 (也称为英仙座A),显示出令人难以置信的活跃迹象,其中心有一个正在进食的黑洞。这个活跃星系释放出的高能辐射和粒子,能量超乎地球上的任何活动,而这放在宇宙中,并不罕见。

我们或许能够在实验室条件下从心所欲地控制电场和磁场来加速粒子,但我们在地球上能够制造出的高能粒子,受限于电磁铁和加速器装置的物理约束。它们确实令人叹为观止,但与宇宙实验室相比,就小巫见大巫了。

黑洞、中子星、恒星合并系统、超新星和其他天体物理事件中,粒子被加速,达到的能量,我们在地球上可望不可即。最高能量的宇宙射线的传播速度非常接近宇宙终极速度极限$c$,如果你让一个超高能量的宇宙质子射线和一个光子赛跑,在太阳和距离太阳最近的恒星比邻星之间跑一个来回,你知道会是什么赛果吗?光子将首先完成这将近8.5光年的赛程,但只是勉强领先。质子仅仅落后光子22微米,用时仅仅多0.7皮秒。



图为数字巡天观测的一部分,中心显示为红色的是距离太阳最近的恒星,比邻星。与太阳类似的恒星貌似是宇宙中很常见的恒星,但实际上太阳质量超过宇宙中95%的恒星,宇宙中四分之三的恒星与比邻星是一类,为“红矮星”。巴纳德星属于继半人马座阿尔法星系之后距我们第二近的恒星系,也是一颗M类恒星。

超高能量的宇宙射线在宇宙中有多种来源,向各个方向传播。偶尔,其中一个粒子会迎面撞上地球。这种意外事件发生时,那是我们的大好机会。这是我们测量到达地面的宇宙射线粒子的能量的机会,由此可推断原始宇宙射线的性质。

我们能够做到这一点,是因为我们地球的周围不是真空,而是环绕着一层介质,即数百公里厚的大气层。虽然真空中的光速可能是固定不变的——299,792,458米/秒——但光在介质中的速度要低于真空中光速。空气虽然接近真空,但也能将光的速度降低到其真空速度的99.97%。



爱达荷国家实验室(Idaho National Laboratory)的先进试验反应堆周围的幽幽蓝光,但堆心不发蓝光,蓝光是核燃料周围的冷却水发出的。核反应堆产生的相对论性带电粒子穿过水的时候,它们的速度超过了介质中的光速,发出切连科夫辐射,呈现为蓝光。

光速减慢0.03%,看起来不多,但一些显著的现象却因之发生:进入大气层的高能粒子的运动速度比光速还快。在这种情况下,会发出一种特殊的辐射——切连科夫辐射,呈现为蓝光,波形为圆锥形。

核反应堆会释放出高速粒子,为避免这些粒子可能会对人体造成危害,核反应堆周围灌满水,这些粒子在水中减速,发出无害的蓝光。能量就是能量,通过把它从粒子本身中分离出来并将其转化为光,这是确保粒子无害的好方法。



这个动画展示了连科夫辐射的原理。相对论性带电粒子在介质中运动的速度比光还快,粒子与介质相互作用,会发出切连科夫辐射。切连科夫辐射的波形是圆锥形的,圆锥形状依赖于入射粒子的速度和能量。在实验粒子物理学中,探测这种辐射的性质是一项非常有用、且很常见的技术。

当宇宙射线撞击地球的大气层时,它的运动速度比核反应堆产生的任何粒子都要快得多,但物理学原理却大同小异。宇宙射线与大气层相互作用导致的切连科夫辐射将发生在一个特定的频率上,视宇宙射线的能量范围而定,这可以算出来。切连科夫辐射由伽马射线组成,发生在高空(数百公里以上),因此需要大规模地面伽马射线望远镜阵列才能探测到。

这个想法再发展一步,就是建立一个切连科夫望远镜阵列,从地球各个地方探测切连科夫辐射。即便只探测切连科夫辐射锥形波的一小部分,追溯到它起源的单个粒子,就能以一种全新的方式推断出它的性质。虽然切连科夫望远镜阵列目前还只是一个拟议中的项目,但预计在今年年底之前会动工兴建。



这是切连科夫望远镜阵列(CTA)的艺术概念图,由100多个伽马射线望远镜组成,这些望远镜能够同时测量大量的粒子能量,甚至它们的原始位置,我们可能会推断出超高能量粒子的源头的性质。

目前,有很多伽马射线望远镜起到切连科夫望远镜的作用,提供撞击地球的高能粒子的“大气成像”。比如高能立体视野望远镜神奇伽马射线望远镜超高能辐射成像望远镜阵列系统,这些望远镜都能提供高能宇宙射线的源头的位置和能量方面的信息,这是前所未有的成就。

切连科夫望远镜阵列将是一个巨大的进步。总的来说,这个阵列预计由118个望远镜组成:北半球有19个望远镜,专注于较低的能量宇宙射线和银河系外的宇宙射线源,南半球有99个望远镜,专注于来自银河系内的各种能量的宇宙射线及其源头。目前,有32个国家参与了这个项目,投资3亿美元。其中最多数目的望远镜将建于欧洲南方天文台位于智利阿塔卡马沙漠中的帕瑞纳山-armazones山上。



图为超高能辐射成像望远镜阵列系统的伽马射线望远镜,用来测量高能宇宙射线撞击地球大气层时因切连科夫辐射而产生的伽马射线。当高能宇宙射线粒子在介质——甚至是甚至地球大气层——中运动的速度超过介质中的光速,就会发生切连科夫辐射。

这并不是我们测量宇宙射线的唯一方法,当宇宙射线撞击地球大气中的粒子时,它们也会产生新的粒子。这些“粒子雨”(称为簇射)会在地球上留下蛛丝马迹,基于粒子的观测可以补充切连科夫辐射相关的基于光的观测。

但是,切连科夫望远镜中能看到一些基于粒子的方法看不到的东西:只测量一小部分到达地球的辐射,就能推断出射入大气层的粒子的能量和轨迹。如果你想用基于粒子的探测器做到这一点,你需要确保你接收并准确地测量100%的簇射粒子的能量和动量。即使世界最顶级的宇宙射线天文台,如皮埃尔·奥格尔天文台,也无法做到。



高能天体源产生的宇宙射线可以到达地球表面。当宇宙射线与地球大气中的粒子碰撞时,它会产生大量的粒子,称为簇射,可以被地面上的望远镜阵列探测到,但即使没有粒子簇射,还会发生切连科夫辐射。

另一种探测宇宙射线粒子的方法是,在其到达地球之前将其捕捉;要做到这一点,你得去太空才行。但即使你能跑到太空,你的探测器灵敏度和能量测量范围很可能不够。进入太空也伴随着巨大的发射成本。费米伽马射线空间望远镜,检测单个高能光子而不是直接检测宇宙射线,成本约6.9亿美元,是整个切连科夫望远镜阵列预计成本的两倍多。

相反,通过捕捉宇宙射线在全球100多个地点撞击大气层所产生的粒子和光子,我们可以了解这些超相对论粒子的起源和性质,以及产生它们的天体物理来源。所有这一切都是可能的,因为我们理解了粒子在一种特殊介质——地球大气层中以比光更快的速度运动的物理学。爱因斯坦的定律也许是牢不可破的,但是使光慢下来的技巧使我们能够非常聪明地探测到一些我们用其他方法无法测量的东西!

标签: 宇宙射线, 切连科夫辐射

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