宇宙線是否帶電

李驄 高衛

（中國科學院高能物理研究所 100049）

1.宇宙線的發現與新問題

19世紀初，物理學家們發現了空氣電離的現象，并開展了一系列實驗測量，探究空氣電離之謎[1]。物理學家通過測量電離率與海拔的關系，從而確定了這些神秘射線來自于外太空[2]，繼而有了“宇宙射線”的概念。宇宙射線的發現吸引了眾多物理學家的興趣，人們對于這一神秘射線的發現充滿了好奇和懷疑。雖然奧地利物理學家維克多·赫斯的實驗結果清晰表明電離率會隨著海拔升高而增加，但是依然有很多物理學家對這一發現提出了質疑，其中就包括美國著名實驗物理學家羅伯特·安德魯·密立根。密立根于1909年設計了著名的“油滴實驗”，首次測量了電子電荷，從而證明了電荷的不連續性。密立根也因其在測量電子電荷以及驗證愛因斯坦光電方程方面的工作獲得了1923 年的諾貝爾物理學獎。密立根對研究宇宙射線產生了濃厚的興趣，他首先對赫斯的結果產生了懷疑。他在1926 年的美國物理年會上宣傳“the whole of the penetrating radiation is of local origin”[3]。作為一名杰出的實驗物理學家，密立根很快提出了自己的實驗方案。他選擇在兩個不同海拔高度的湖泊對空氣電離率進行測量。一方面，湖泊放射性弱，本底背景比較干凈；另外一方面還可以測量不同水深的電離率。密立根發現不同海拔高度湖面的電離率不一樣，高海拔湖面的電離率比低海拔湖面要高，而且發現兩米深湖水的吸收長度大致與2 千米空氣的相當，因此證明了宇宙射線確實來自于外太空[4]。既然知道了這些神秘射線來自外太空，那么另外一個問題也隨之而來，即這些神秘射線究竟是什么呢？

在那個年代，人們對于微觀世界的了解才剛剛開始。彼時人們還沒有發明大型對撞機，還沒有辦法打開微觀世界大門，也不知道微觀世界的家族有如此多的“成員”，只能通過放射性物質來研究微觀世界。英國物理學家歐內斯特·盧瑟福在1898年發現了α射線和β射線。其中α射線穿透能力很弱，甚至一張紙就能阻擋；而β射線的穿透能力要更強一些，往往需要幾毫米厚的鋁箔才能阻擋。后來人們認識到α射線其實是氦原子核，而β射線是電子。1900 年法國科學家維拉德發現一種貫穿力非常強的輻射，是繼α、β射線后發現的第三種原子核射線。1913 年，該射線被證實是電磁波，和X 射線性質極為相似，但是具有比X 射線還要強的穿透能力，即γ射線。圖1為幾種射線的穿透力示意圖。

圖1 各種射線穿透能力(圖片來自網絡)

宇宙射線要穿過厚厚的大氣來到地面，其穿透能力比γ射線還要強。如果它是帶電粒子，那么其能量將會超出想象，所以人們普遍相信這種神秘射線應該是中性粒子。另外一方面，愛因斯坦在1905年提出了狹義相對論，揭示了物質與能量的關系，人們已經知道物質會轉換為能量(圖2)。當兩個較輕原子的質量小于其合成的較重原子的質量時，則說明在聚變過程中有質量虧損，從而以能量的形式輻射出來。根據質能關系式E=mc2和普朗克公式E=hν，可推算出輻射光子的頻率。密立根假定，這些輻射光子就是宇宙線的最初來源。1923 年美國物理學家康普頓發現當一個高能光子與電子散射時會將部分能量傳遞給電子，從而得到一個能量較高的電子和能量較低的光子，這與經典物理學是相悖的——在經典物理學框架里，電磁波經過物質散射以后波長并不會改變，因此能量不會改變，這一實驗結果證明了猶太裔物理學家愛因斯坦的光子理論，康普頓也因此獲得了1927年的諾貝爾物理學獎。當高能光子穿過大氣層到達地面附近進而與物質發生康普頓散射，產生高能電子，繼而可以解釋空氣電離效應。這在當時看起來是很“合理”的解釋，而且是“唯一”的解釋。但是科學是需要實驗支撐的，即使聽上去再合理的理論都需要通過實驗去證實。

圖2 愛因斯坦及相對論(圖片來自網絡)

想要證明粒子是否帶電可以將運動粒子放在磁場中檢驗。如果是帶電粒子，則運動軌跡會發生偏轉，如圖3 所示；如果是中性粒子，則運動軌跡不會受到磁場影響。雖然實驗原理很簡單，但是由于宇宙射線的能量極高，在實驗室中真正實現起來很困難。根據粒子在磁場中的運動規律，粒子的回旋半徑與粒子速度成正比而與磁場強度成反比。為了看到這個偏轉效應，要么我們在很大的尺度范圍內進行測量，要么需要提供超強的磁場。在當時的情況下，人類自然選擇了前者。地磁場近似于一個偶極磁場，磁力線從地理南極延伸到地理北極。假設帶電粒子從各個方向均勻入射，在地球兩極沿著磁力線運動，更容易到達地球；而在赤道附近會因切割磁力線被偏轉而更難到達。因此地球兩極的宇宙線流量應該會更高，低緯度的流量相對更低，我們稱之為“緯度效應”。

在確定了通過測量“緯度效應”來確定宇宙線是否帶電的實驗方案之后，實驗物理學家們就開始付諸實施，其中以康普頓和密立根的貢獻最為突出。1932年，密立根在許多人的幫助下進行了范圍較廣泛的觀測。一位加利福尼亞理工學院的年輕物理學家內赫發明了一種高靈敏度的自動記錄驗電器，密立根非常高興，相信新儀器“可以避免各種人為因素的影響和觀察者的偏見”。還有美國空軍的負責人同意密立根使用轟炸機將測量儀器帶到8000多米高空。遺憾的是，密立根實驗并未觀測到明顯的緯度效應，密立根因此堅信宇宙射線是中性粒子。同時期，康普頓的實驗也在緊鑼密鼓地進行著。1932 年3 月18 日，康普頓離開芝加哥，開始了他本人行程5萬余英里、遍歷五大洲、跨越赤道5次的遠征，當時的航行圖如圖4 所示?？灯疹D非常自豪地將自己這次南到新西蘭的杜恩廷、北到北極圈，上至6000 多米的高山、下至海平面的遠征測量比作“馬可·波羅的東方旅行”。他曾對俄克拉荷馬大學的聽眾說：“正如馬可·波羅打開新世界一樣，現在科學也在打開新的世界”?？灯疹D在橫跨全球幾大洲，包括從南極到北極荒漠，幾次穿越赤道線的更大地理范圍的觀測認為存在明顯的緯度效應。在1932年9月《紐約時報》刊出大幅標題“識破密立根的謬誤”，指出宇宙線是帶電粒子，而非光波?？灯疹D和密立根兩位學界大佬約定在當年12月大西洋城舉行的美國物理學會上進行一場“決定勝負”的論戰。由于學界早有預知，加上媒體的渲染，這場論戰鬧得沸沸揚揚，爭論的最后結果是“密立根輸，康普頓贏”。這是科學家前輩們對宇宙線是否帶電的驗證歷程，現在我們能否重走驗證之路,判斷宇宙線的電性呢？

圖4 1932年康普頓測量宇宙射線“緯度效應”航行圖[5]

2.在校園檢驗宇宙線電性

磁場是檢驗粒子電性的“照妖鏡”，運動的帶電粒子在磁場中受到洛倫茲力的作用，運動軌跡被偏轉，如果宇宙線是像X射線或伽馬射線這樣的中性粒子，那么宇宙射線在傳播到地球的過程中，其飛行路線則不會受到磁場(星際空間磁場、地磁場等)的偏轉，借助天然磁場的作用設想一些實驗去檢驗宇宙線的電性。

(1)通過“緯度效應”觀測判斷宇宙線是否帶電

從前文已知，如果宇宙線是帶電粒子，會存在“緯度效應”，因此，我們可以通過對不同緯度宇宙線強度的測量，重走前輩的探索路程，判斷宇宙線是否帶電。

我國幅員遼闊，最南端緯度不足4度，最北端緯度高達50 多度，跨越將近50 度的緯度范圍。目前校園宇宙線聯盟已有多個站點，緯度分布在30～40度。隨著更多的學校建立校園宇宙線觀測陣列，所覆蓋的緯度范圍將進一步擴大，在各個站點測量當地的宇宙線的流強，通過共享數據，聯盟成員可以獲得不同地理緯度的宇宙線流強數據，檢驗其是否呈現“緯度效應”，從而判斷宇宙線是否帶電。該方案可能面臨如下困難，地磁場導致的不同地理緯度的宇宙線流強差異比較小，需要很高的測量精度才能觀測到“緯度效應”，而觀測地點的海拔高度和環境氣壓等都會影響測量結果。

(2)找源知電性

如果我們將視線從地球放到更遠，發現其實銀河系中也彌散著磁場，整個銀河系也可以成為我們的探測“介質”?？梢蕴岢鲆韵录僭O，如果宇宙線是中性粒子，則宇宙線的方向即為宇宙線源的方向，宇宙線會有明顯的“成團”效應，就像夜空中看到的一個個星星；相反，如果宇宙線是帶電粒子，則宇宙線在銀河系傳播過程中會被磁場偏轉(如圖5所示)，從而失去原初方向信息，呈現幾乎均勻的分布。我們的校園宇宙線陣列就可以測量宇宙線的原初方向，如果其分布沒有明顯的“成團”現象，便可以排除宇宙線是電中性的這一假說，進而得到宇宙線是帶電粒子的結論。如圖6所示，為校園宇宙線項目中一個由5臺探測器組成的小型陣列一天的觀測數據獲得的宇宙線分布天圖，由于事例有限，還不能支持我們下結論。后期隨著數據積累，增大統計量，會獲取更準確的結果來幫助我們驗證這一方案是否可行。

圖5 帶電粒子和中性粒子在銀河系中傳播示意圖(圖片來自網絡)

圖6 天球坐標系下宇宙線方向分布

(3)望月識電性

月球是離我們最近的天體，忽略空氣的折射等現象，夜晚看到的月球位置就是它的真實位置。與光學成像類似，是否可以把光替換成宇宙線為月球拍照呢？事實上宇宙線來自各個方向，月球遮擋了部分宇宙線，使得月球方向測到的宇宙線更少，與周圍背景相比，宇宙線流強在月球方向“缺失”，這就是宇宙線為月球成的“像”，我們稱之為“月影”。

如圖7(a)所示，假設宇宙線同可見光一樣是電中性的，我們看到的“月影”應該和月球在同一個方向。如圖7(b)所示，如果宇宙線是帶電粒子，地磁場會偏轉其方向，就好比光的折射，我們看到的“像”會偏離實物的方向。因此可以通過比較“月影”相對月球的視位置是否發生偏移來判斷宇宙線是否帶電。如圖8所示為我國的高海拔宇宙線觀測站實驗觀測到的月影，能夠看到在東西方向上，“月影”偏離了月球的位置，支持宇宙線帶電的結論。

圖7 宇宙線不帶電(a)和帶電(b)時月影視位置受地磁場的影響偏離月亮實際方向示意圖。只作定性示意，放大了月影偏移度，不代表實際偏移量

圖8 實驗觀測到的宇宙線月亮陰影[6]，坐標原點為月亮的中心位置，東西方向(赤經Ra)為地磁場導致的月影偏移，南北方向(赤緯Dec)的偏移量代表了實驗的指向精度

3.空間直接測量

上述的方案都是利用自然界磁場為工具，通過地面宇宙線實驗的間接測量來判斷宇宙線是否帶電的本質。除此之外，還可以把探測裝置搭載到高空氣球、衛星以及空間站上對大氣層外的原初宇宙線進行直接測量。一個典型的代表是位于國際空間站的阿爾法磁譜儀(AMS-02)[7]，能夠在太電子伏特(Teraelectron volt，1012eV)能區精確測量宇宙線。圖9 為AMS-02 探測器圖片，它可以通過測量粒子的電荷(Z)、能量(E)和動量(P)等鑒別粒子的種類。通過空間直接測量，人們已經知道該能量范圍的宇宙線中約90%是質子，其余9%是氦原子核，其余1%包含了其余更重的原子核和光子、電子等等。如果我們了解得更多，就會清楚各種成分的含量是隨著能量變化的。

圖9 位于國際空間站的AMS

與密立根的時代相比，得益于科技的發展，宇宙線探測器技術發展迅速，如今有多種探測手段對宇宙線開展精確測量。低能的宇宙線流強較高，可以用氣球、衛星等這種空間載荷實驗探測器直接觀測，確定宇宙線粒子種類；對于流強很低的高能宇宙線，由于空間載荷實驗的探測器不能做得太大，因此采用地面的大型陣列進行間接測量。

回顧最初宇宙線的發現，前輩們實際上測量的是宇宙線的大氣簇射產生的次級粒子，校園宇宙線聯盟研發的校園宇宙線陣列可以實現對原初宇宙線的測量，測量數據向聯盟成員開放共享。這是一個很好的機會，利用我們掌握的磁場對帶電粒子影響的知識，自己動手設計實驗去了解宇宙線是否帶電的本質，發散思維，利用所知探索未知。