廣延大氣簇射

廣延大氣簇射

宇宙線和大氣發生相互作用,產生次級粒子,次級粒子進一步產生三級粒子,並如此發展下去,我們稱其為廣延大氣簇射(EAS)。廣延大氣簇射由法國物理學家Auger於1938年發現.自從奧格爾發現了廣延空氣簇射時起,科學家們就在世界各地的一些荒涼不毛之地建造了越來越大的探測器陣列。

基本信息

簡介

大氣簇射原理圖大氣簇射原理圖

宇宙射線和大氣發生相互作用,產生次級粒子,次級粒子進一步產生三級粒子,並如此發展下去,我們稱其為廣延大氣簇射(EAS)。廣延大氣簇射由法國物理學家Auger於1938年發現.自從奧格爾發現了廣延空氣簇射時起,科學家們就在世界各地的一些荒涼不毛之地建造了越來越大的探測器陣列。但直到20世紀60年代初,還沒有專門為探索能量超過1017eV的最高能粒子的起源建造足夠大的陣列。麻省技術研究所羅西(BrunoBenedettoRossi,1905-1993)研究組,在用閃爍探測器測量空氣簇射的技術上作出重要貢獻。

發展

1962年的一天有個特別的空氣簇射降臨到陣列上,廣闊分布的探測器探測到很大數量的簇射粒子。一般典型的簇射只有四五個探測器記錄下粒子通過,而這個特別的簇射有15個探測器作出記錄,粒子數比通常的簇射多得多。詳細分析之後得出的結論是,這次簇射是由一個能量超過1020eV的宇宙射線粒子激發出來的,它是那時觀測到的具有最高能量的粒子,它比用奧格爾的先驅空氣簇射實驗探測到的粒子的能量大100,000倍。這個結果發表在《物理學評論通訊》(1963年)上,引起了廣泛的關注。這個宇宙射線粒子的奇異本性於3年之後,其重大意義顯得更加突出。人們認識到,這樣巨大能量的宇宙射線將同大爆炸火球遺留下來的冷卻輻射發生強烈的相互作用。

現代套用

•AGASA[AkenoGiantAirShowerArray]

建在東京以西200公里明野(Akeno)地區的巨型空氣簇射陣列AGASA(AkenoGiantAirShowerArray)(右圖)由小到大,面積從1984年的1平方公里至20平方公里,到1991年的100平方公里,觀測站在視野和重要性方面也由小變大。100平方公里的巨型陣列使用了111個塑膠閃爍探測器,用來測量到達地面的空氣簇射,天頂角(zenithangle)約涵蓋至45度。另外還有27個混凝土覆蓋著的附加探測器,為測量簇射產生的貫穿力很強的μ子成分而建造。每個探測器都用光纖與中心數據收集站連結起來。
當宇宙射線粒子穿過空間時,會同充滿整個宇宙的低能質子相碰撞,從而損失能量。按照愛因斯坦的狹義相對論,來自銀河系以外、到達地球的宇宙射線,將遇到如此之多的減能碰撞,以至於它們最大可能的能量為5×1019電子伏,這個數值被稱為GZK極限。1994年,AGASA和俄羅斯西伯利亞東部的雅庫次克研究小組分別報告探測到了2x1020電子伏特的宇宙射線。這一能量超過費米國家加速器實驗室Tevatron加速器可以加速的質子能量的1億倍。
•AugerProject項目

一個龐大的國際合作項目AugerProject將取代AGASA的地位,它將分別於南美洲的阿根廷及北美洲的美國猶他州各建立一個面積約5000平方公里的地面陣列,並將在陣列中加入數個類似HiRes的螢光探測器。Auger試圖以混合地面陣列與大氣螢光兩種探測器的方式,了解兩種探測器的差異,互相校正能量定標,解決AGASA與Fly'sEye的衝突。HiRes與SLAC(StandardLinearAcceleratorCenter)現正聯手研究空氣在不同氣壓、成份下的螢光效率,對HiRes能量定標的問題會有很大的幫助。
•ARGO-YBJ項目

甘巴拉山乳膠室甘巴拉山乳膠室

中國科學家在宇宙線觀測領域取得了許多重要成果。上個世紀50年代初,何澤慧等人研製出作為宇宙射線測量器的核乳膠,使中國成為當時世界上少數幾個能生產核乳膠的國家之一。
1954年,在海拔3200米的雲南落雪山建造了中國第一個高山宇宙線實驗室——雲南東川站,至1957年,蒐集到700多個奇異粒子事例。1958~1965年,設計製造了大雲霧室。1972年在這套裝置上發現了一個質量約為質子質量10倍的可能是重粒子的事例。1977年在西藏甘巴拉山5500米高度處建立了世界上最高的高山乳膠室,設立了大規模的乳膠室陣列。

西藏羊八井觀測站就是利用廣延大氣簇射對宇宙線進行探測。地面探測器接收面積可以做得很大,因而有利於探測稀少的高能事例.但是由於這是間接探測,由次級粒子反推原初粒子信息,存在一定的不確定性以及模型依賴性.它是北半球最高,也是當今世界上有效常年觀測站中海拔最高、最有活力和前景的一個宇宙線觀測站。它是北半球最高,也是當今世界上有效常年觀測站中海拔最高、最有活力和前景的一個宇宙線觀測站。它是北半球最高,也是當今世界上有效常年觀測站中海拔最高、最有活力和前景的一個宇宙線觀測站。

•NorikuraObservatoryinJapan

日本乘鞍山宇宙線觀測站(NorikuraObservatory)建於1953年,海拔2770米,1976年起屬於日本東京大學宇宙線研究所(ICRR)。
1995年,開始了建立新天文台的皮埃爾.奧格計畫,該天文台以1938年首次觀測到“持續空氣簇射”的法國物理學家皮埃爾·奧格命名,是世界最大宇宙射線天文台,由美國費米國家加速器實驗室科學家管理,建在阿根廷的馬拉圭地區。參與計畫的250名科學家來自十多個國家。
該探測陣列由間隔為1.5公里的探測器、太陽能電池板和無線傳輸數據的天線組成,最終將建成1600個地面探測器,每一個都裝了12噸水(下圖),總占地3000平方公里。而頭100個探測器觀測和調查地球的南部天空。巨大的陣列將探測大量的甚高能宇宙線,追蹤高能宇宙線源,了解宇宙的起源和演變。

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