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网上找到的关于超高能宇宙射线GZK截断的文章，还是国家自然科学基金项目
【简介】 1965年Penzias和Wilson发现了宇宙微波背景后，紧接着Greisen、Zat sepin和Kuzmin于1966年就提出了著名的GZK截断,即距离在15千万光年以外能量高于5×10^19eV的质子因与宇宙微波背景光子相互作用产生π粒子导致能量损失而不能到达地球。可是20世纪60年代就发现了首例大于10^20eV的粒子事件,在以后的四十多年里还不断有新的报告，4×10^19eV～10^20eV的事件几百例，大于10^20eV的事件共计二十多例，且大多数实验台站报告这些粒子具有各向同性的特征。 推测高能粒子来源于银河外星系,又由于GZK截断,银河外荷电粒子(如质子)其传播的有效自由程在15千万光年以内,可是观测上并没有发现相应的GZK截断,并且在15千万光年以内也没发现有对应的源,也没有明显的各向异性以回指相应的天体源,这就很难与传统的加速机制相一致。因而寻找新的粒子和新的理论模型来解决这个困惑成为必然。 为了解释GZK截断,目前存在着四种方式来回答这一问题。第一,由于洛伦兹对称性破坏的存在,使得GZK截断消失。第二,中微子模型,由于中微子不受GZK-Cutoff限制,很有可能成为超高能粒子的候选者。然而有人指出，这种模型还不足以解释观测到的高能宇宙线流量。第三,新的中性稳定强子模型,具有类似核子的强相互作用,且具有较大的质量可以增加GZK效应的阈能值。第四,超重遗迹X粒子TOP-DOWN模型,典型的理论有WIM PZILLAs机制和大统一理论(GU Ts)预言的拓扑缺陷(TDs)衰变机制。 黄新卫的看法是，GZK截断是基于狭义相对论推测出来的，按照狭义相对论，与高能粒子相对静止系将发现宇宙微波背景光子动质量、能量显著增大，将阻止高能粒子通过浩瀚的宇宙。而光子动质量、能量显著增大并没有实验验证，很可能不符合事实。GZK截断被实验结果否定，说明狭义相对论的推论被实验否定。尽管一些物理学工作者提出了4种解释方案，但是，假说成分太多，难以证实。所以，越来越多的物理学工作者开始怀疑，狭义相对论可能错了。 第24卷 第3期物 理 学 进 展Vol. 24 ,No . 3 2004年9月PRO GRESS IN PH YSICSSpet . ,2004 文章编号:1000O0542(2004)03O0300O25 收稿日期: 2004O06O04 基础项目:国家自然科学基金项目(10233050) 地址:北京市朝阳区大屯路甲20号,邮编:100012 ①Email :wangxin @bao . ac. cn ;wx-stellar @yahoo . com. cn ;②Email :wjx @ourstar. bao . ac. cn 《宇宙线天体物理研究进展》 王新①,汪景② (中科院国家天文台,北京100012) 摘 要: 由于天体粒子物理涉及的研究领域太宽,本文拟以宇宙线总的能谱特征为线索,分段介绍各能区的研究前沿,总结有关宇宙线的起源,传播和成分的理论模型和相应的观测实验进展,并简要介绍相关的高能领域,例如γ暴(GRB),中微子,暗物质,超对称(SU S Y),大统一理论(GU T).这些理论在某种程度上暗示着极高能宇宙线的产生机制,并可能意味着需要新的超出标准粒子物理模型的理论来解释GZK截断(GZKOCutoff)的疑难问题.对高能天体物理的研究可以拓宽人类对早期宇宙的认识,为新物理理论模型提供检验的证据,为人类认识自然提供了另一扇窗口. 关键词: 宇宙线;γ暴;中微子;暗物质;超对称;大统一理论;宇宙学 中图分类号: P172. 4 ;O412. 2 文献标识码:A 0 引言 自从1912年Victor Hess[ 1 ]和Kohlh rster[ 2 ]通过高空气球探测发现到宇宙线后,1938年Pierre Auger就证实了地面广延大气簇射(EASs)是由于能量高于10^15eV原初粒子与地球大气相互作用产生次级粒子的结果[ 3 ,4 ].在1965年Penzias和Wilson发现了宇宙微波背景(CMB)后,紧接着Greisen[ 5 ],Zat sepin和Kuzmin[ 6 ]于1966年就提出了著名的GZK截断,即距离在50 Mpc以外能量高于5×10^19eV的质子因与CMB光子相互作用产生π粒子导致能量损失而不能到达地球.可是20世纪60年代就发现了首例大于10^20eV的粒子事件[ 7 ],在以后的四十多年里还不断有新的报告.大于10^20eV的事件共计二十多例,在10^19eV～4×10^19eV之间的事件约几千例,4×10^19eV～10^20eV的事件几百例.这些报告来自于地基实验的Fly'Eye[ 8 ,9 ], Haverah Park[ 10 ], A GASA[ 11 ],Yakut sk[ 12 ,13 ],Volcano Ranch[ 14 ]和SU GAR[ 15 ]等.且大多数实验台站报告这些粒子具有各向同性的特征(但A GASA有相反的报告)[ 16 ].GZK截断的困惑和各向同性使得极高能宇宙线(EHECR)源加速机制面临着挑战.至此,宇宙线研究已有近百年的历史,然而悬而未决的问题仍然存在:(1)极高能宇宙线究竟来源于何处 (2)宇宙线的传播过程又是怎样的呢 (3)宇宙线的成分是如何构成的呢 是否有宇宙线反物质存在[ 17 ] 于2003年7月31日至8月7日在日本Tsukuba举行的第28届国际宇宙线会议吸引了40多个国家的代表800多人.会议收到论文约1300篇,其中"高能现象"(HE)部分500篇."宇宙线起源和银河现象"(O G)部分400篇,"太阳和日地空间现象"(SH)部分400篇.这次会议集中展示了宇宙线在各能区的研究进展. ( 此段略去） 3. 3 超高能区(5 EeV- 50 EeV(GZK- Cutoff) )和极高能区(> 50 EeV) 在这一能区,对于传统的加速机制来说,能量大于5×10^18eV的粒子会挣脱银河系的束缚.因而推测其高能粒子来源于河外星系,又由于GZK截断,河外荷电粒子(如质子)其传播的有效自由程在50 Mpc以内,可是观测上并没有发现相应的GZK截断,并且在50 Mpc以内也没发现有对应的源,也没有明显的各向异性以回指相应的天体源,这就很难与传统的加速机制相一致.因而寻找新的粒子和新的理论模型来解决这个困惑成为必然.于是有可能超出标准粒子物理模型的自上而下(TOP-DOWN)的理论机制一时成为热点.它的优点是可以避免GZK截断问题,但目前最大的困难是很难在实验上获得足够的满足统计性要求的事例数据,因而难以得到验证.正在实施中的AU GER计划和AMANDA高能中微子试验计划的结果会对新的理论机制带来决定性的验证.下面就重点介绍相关的新的理论模型将有哪些新的宇宙学和物理学上的启示,并介绍该机制与哪些高能现象相关联.关于在"膝"区是否有新的物理启示,可参阅Kazanas等人的文章[ 53 ]. 为了解释GZK截断,目前存在着四种方式来回答这一问题.第一,由于洛伦兹对称性破坏(VL I)的存在,使得GZK截断消失.第二,中微子模型,由于中微子不受GZK-Cutoff限制,很有可能成为U HECRs的候选者.第三,新的中性稳定强子模型,具有类似核子的强相互作用,且具有较大的质量可以增加GZK效应的阈能值.第四,超重遗迹X粒子TOP-DOWN模型,典型的理论有WIM PZILLAs机制和大统一理论(GU Ts)预言的拓扑缺陷(TDs)衰变机制. 3. 3. 1 VL I机制 由于在50 Mpc以内没发现U HECR的粒子源,在理论上怀疑是否存在GZK- Cutoff一直引起人们的关注.与目前实验中没有出现GZK- Cutoff相吻合的解释很可能是由于洛伦兹对称性在高能区时破坏所致.量子引力模型和基于弦论下的理论模型都预言在极高能区时的时空对称性要做适当的修正[ 54 ],这就暗示着洛伦兹对称性要遭到破坏,对于在标准模型下的色散关系E2-p2=m2应有相应的修正.给定一个参数化的洛伦兹对称性的修正关系式,对于一定的参数值,就可以避免GZKOCutoff极限.如下式: E2-P2-m2D-2dE2-ξE3 Mpl -ζE4 M2 pl (7) 其中,Mpl为普朗克质量,表征不可重整化项引起的效应,ξ和ζ为无量纲参数,d是拉格朗日密度中可重整化项引起的VL I效应的无量纲参数.当ξ,ζ,d→0时,则显示出标准模型下的色散关系.在临界弦论(critical st ring t heory)中,由于量子引力效应产生的普朗克质量负二阶效应(即ζ≠0);如果d≠0 ,当洛伦兹张量Cμv与费米子dμv ψγμ5vψ发生耦合,并得到一个真空平均值 =dδ0μδ0v,就使得洛伦兹对称性发生自发破缺[ 55 ];在非临界刘维尔弦论(non-critical Liouville st ring t heory)中由于反冲的D维膜(recoilong D-Brane)会导致普朗克质量的负一阶效应(即ξ≠0)[ 56 ].考虑到核子光致π产生过程:能量E,动量P和质量为mN的核子与能量为ε的CMB光子发生碰撞并产生π和反冲核子的过程,在标准洛伦兹对称性框架下,其入射核子的初始动量阈值为:Pth,0=(m2π+2mπmN)/4ε(8) 这时mπ,mN分别是π和核子N的质量.假如考虑在极高能相对论区(mnpnM)下的色散关系的修正,这新的动量阈值Pth(设d= 0)应满足方程[ 57 ]: -βχ4-αχ3+χ-1=0(9) 其中χ=Pth/pth,0,且有: 1 α= 2ξP3 th,0 (m2π+2mπmN)Mpl mπmN (mπmN)2(10) β= 3ζP4 th,0 (m2π+2mπmN)M2 pl mπmN (mπmN)2(11) 在这里,如果ξ,ζD1则方程(9)没有正的实数解,也就意味着GZK不会发生,即不存在GZKOCutoff效应,这样U HECR高能核子和高能光子就会从遥远的距离到达地球.另外,如果将来的U HECR的数据能够证明GZKOCutoff在某一能量限上的存在,则暗示着存在耦合系数ξ,ζ的上限.由此可以进一步探讨狭义相对时空不对称理论.如果对下一代γ光子观测能够测到在TeV处的截断,这在某种程度上会限制VL I这一学说.另外,在修正的色散方程(7)的右边不可重整化项所引起的群速(Group Velocity)变化而导致的γ时延在GRB的研究中也具有重要意义[ 57 ]. 3. 3. 2 中微子弱粒子模型 越来越多的中微子振荡实验中表明中微子存在有一定质量[ 58 ].假如至少有一种遗迹中微子有质量～0. 1 eV ,就导致了这样一种可能性:为那些来自于远端源(如A GN)处的超高能中微子提供了一个产生湮灭过程的背景"靶"中微子.湮灭过程中将会在质心能量达到M2v/2mv～4×1021(mv/ 1eV)- 1eV时发生并产生"ZOBurst".而这一能量正处在U HECRs的能量范围.在L EP实验上已经很好地测量到Z粒子衰变到核子和γ- ray的能谱,因而可以与相关的中微子数据进行比较.实际上对于质量为0. 26+ 0 . 2- 0 . 4eV的遗迹中微子可以获得与Z粒子衰变相吻合的能谱,然而,如果考虑到轻的遗迹中微子不可能在1～2个GZK截断距离内有大量的流量密度[ 59 ],则要求超高能中微子应有相当大的流量. 尽管没有直接实验上有关超高能中微子流量截断的证据,然而任何合理外推到稍低能处的中微子流量都可能打破最近由AMANDA获得的对高能中微子流量的限制.另外,在假定的宇宙线源中,如此高能量的中微子又是如何产生的呢 这通常认为需要加速机制.实际上,如果高能中微子由超重遗迹粒子衰变而成[ 60 ],则同样可直接产生U HECR粒子.为解决高能中微子有关湮灭截面的问题,另一种解释认为遗迹中微子在暗物质晕中处于简并的,因而可以增加遗迹中微子的局域密度;但在CMB实验的角功率谱中,没有观测到相应的"late ISW效应"[ 61 ].这种费米简并的遗迹中微子流量假设似乎与日本的超神岗(Super- Kamiokande)实验数据相吻合. 由于高能中微子通过标准的电弱相互作用不能提供可观测到的宇宙线族射,因而在一段时间内曾有人认为中微子可以通过一种新的相互作用机制来直接产生空气族射.这种可能性是随着TeV弦论的发展而引起了人们的极大关注[ 62 ].然而Plümacher在2001年的COSMO会议上指出:在TeV弦论下的计算表明,虽然可以通过KK机制①的方式[ 63 ]和通过s-通道的(轻子夸克)共振方式[ 64 ]来增加超高能中微子与大气相互作用的反应截面,但都还不足以解释观测到的高能宇宙线流量. 3. 3. 3 中性强粒子模型 由于标准模型下原初粒子(如中子,质子和原子核)无法解释超出GZK- Cutoff的事件.如果存在某种新的稳定的强子束缚态粒子,且满足一定的条件:①质量大于核子的质量,②非常稳定,③具有电中性,没有磁矩,④具有强相互作用性质.则可以比较合理地解释大于GZK-cutoff事例特征.目前理论上认为符合以上条件的有H-dibaryon[ 65 ]和S0粒子[ 66 ]等等. H- dibaryon粒子质量约为两倍于核子的质量,MH= 1718 MeV ,由六夸克组成,其形式是uuddss.根据量子色动力学(QCD)理论,在QCD真空中,胶子场(gluon field)的涨落产生的瞬子(instanton)引起夸克之间的相互作用,从而形成了H- dibaryon束缚态粒子,其真空量子数为:JPC= 0+ +,T= 0.因为H- dibaryon是电中性的,自旋J= 0,磁矩T= 0,所以在传播的过程中与CMB的相互作用截面非常小,唯一主要的反应是光致衰变: H-dibaryon +γ→2∧,相应的能量阈值Eth 7×10^20eV.与H- dibaryon粒子对应的可能天体源有中子星和处于GZK半径以外的射电星系.S0粒子是一种在超对称理论下最轻的奇异夸克物质,由u,d,s三味夸克和胶子超对称伴子(gluino)组成,其形式是:usd-gluino ,其质量Ms0= 1. 9 - 2. 3 GeV.S0粒子具有与质子相类似的强相互作用,质量是质子质量的2～3倍,具有电中性和零磁矩.高能S0粒子的产生可能有以下四种方式:①加速的质子与源周围的强子物质通过Regge碰撞机制产生Rp粒子,Rp是uud-gluino形式的束缚态粒子,其寿命τ= 2×10^- 10s - 3×10^- 11s ,质量M= 2. 1 - 2. 5GeV ,通过Rp衰变:Rp→S0π+,产生S0粒子.②对带电的轻超对称强子(如质量为M～2 - 3GeV的Rp和RΩ粒子)直接加速获得相应的U HECRON粒子.由于Rp和RΩ粒子的寿命很短,起作用的加速机制可能是等离子体湍动加速.③可能存在使电中性的S0粒子直接获得加速的引力加速机制.④超重遗迹X粒子衰变产物中含有的S0粒子.与S0粒子对应的天体源可能是距离为1200 Mpc的类星体3c147和较近的塞弗特星系(Seyfertgalaxy)MCG8- 11- 11 ,其红移Z= 0. 0205 ,大于质子源区的红移上限Z= 0. 0125. 另外,还有一种奇异滴(st rangelet)模型,认为含奇异夸克的胶子等离子体物质可能是强子基态[ 69 ].基于这个设想,则宇宙中有可能存在相应的奇异星或奇异滴,而奇异滴被认为是极高能宇宙线原初粒子[ 68 ]. Kolb等人对这种U HECRON粒子产生的大气簇射作了详细的研究,并对数据进行了比较,界定了原初粒子的质量应小于50 GeV[ 67 ].实验上对这种强子束缚态粒子的检验是非常严格的,可能会很快地验证或除掉这种新的稳定强子的存在.在遥远的宇宙距离产生这种强子的相互作用的同时,也一定会产生中微子和γ-射线粒子,而中微子和γ-射线粒子可以通过Cerenkov装置探测到.如实验V ER ITAS ,MA GIC以及HESS等[ 70 ]. 3. 3. 4 超重X粒子TOP-DOWM模型 在这一模型中有两种机制,一种是在宇宙早期产生的长寿命X粒子,即WIM PZILLAs机制.可以通过湮灭(Annihilation)的方式产生U HECRs流量,也可能存在衰变(decay)方式.另一种是由拓扑缺陷(Topological Defect s)产生的短寿命X粒子,可以通过衰变的方式形成U HECRs粒子,即TDs机制. 1. WIM PZILLAs机制.在早期的宇宙中可以直接产生X粒子,并且由于某种未知的对称性,它有与宇宙年龄相近的寿命,即τX～1010yr.质量能标在几百TeV以下的弱作用大质量粒子(WIM Ps)是超对称理论预言的中微子超对称伴子(neut ralino),并认为它可能是银河系晕中暗物质的候选者.WIM Ps粒子可以在宇宙热冷却(t hermal f reeze out)过程中产生.与此相反,超重的X粒子(MX> 10^12GeV)却必须在宇宙的非热相变过程产生[ 71 ].例如,在宇宙暴涨(inflation)后期的再加热(reheating)过程.以上这些遗迹粒子都统称为"WIM PZILLAs",它们将构成宇宙暗物质的成分,并可以通过湮灭的方式产生U HECR流量.由其产生的U HECR流量的各向异性图像应能反映出银河系晕中暗物质的分布. 在"WIM PZILLAs"湮灭方案中, X粒子寿命τX参数可以由X粒子的湮灭截面来代替,由于X粒子被认为是在再加热过程中产生的,故而湮灭截面σX的大小会受到宇宙暗物质数量的限制:σX～α(MX- 2),α≤0. 01.Kolb等人根据三种不同的暗物质分布模型分别作了U HECRs流量的计算[ 72 ].(1)对于暗物质均匀分布的N FW模型①,要求σX= 6×10- 27cm2才能解释可观测到的U HECRs流量,但这个值太高.(2)呈团块(clump)状分布的暗物质晕模型,则由于暗物质密度增加,湮灭截面σX也会增加,使得U HECR流量增加2000倍.(3)等温块(isot hermal clump)分布的暗物质晕模型.湮灭截面σX与暗物质团块的最小湮灭半径Rmin成正比.对于我们的银河系而言,相应的湮灭半径Rmin变成为等温块尺寸的10- 42倍大小,对一尺度为10 Kpc的等温块而言,Rmin～10- 20cm ,相当于一个高能的量子微观尺度.在这种暗物质分布模型中,理论预测的U HECR流量会高出10^15倍.因而为了减少相应的流量,该方案建议WIM PZILLAs数量只占总暗物质数量的10- 15,这通过设定湮灭截面公式中的α～10- 17可以得到.但如此量级的αX又带来另一个困难,使得Rmin变得太小,近似于10- 37cm ,相当于10- 4的普朗克(Planck)长度. 通过以上分析,可得出相关结论:(1)在N FW暗物质晕结构中, WIM PZILLAs如果通过衰变方式产生U HECRs时,则要求寿命τX> 1020yr或相应的暗物质密度ΩDark比例必需减小.(2)超重暗物质按照N FW密度分布, WIM PA ILLAs如果通过湮灭的方式产生U HECRs ,则会破坏么正性限制(unitarity limit s).(3)如果超重暗物质按照亚银河系团块(sub- Galactic clump)分布,则WIM PZILLAs粒子的湮灭没有必要破坏低角动量么正性限制(low-lunitarity limit s).(4)湮灭方案导致几种惊奇的预言,其中,有建议U HECRs事例的成分是光子,这等同于衰变方案,似乎与最近的Haverah Park的数据分析不一致,该分析结果显示在大于4×10^19eV的事例中可能是光子的事例数不超过55 %[ 73 ];但对大于10^20eV的事例似乎没有限制.如果将来的数据能符合统计性要求时,有可能确定其真实的化学成分.(5)湮灭方案中的实际特征信号预测到达方向具有各向异性.如果暗物质在银河系中呈现N FW密度分布,则在银心方向应该有突出的比重;如果暗物质晕的分布在银河系内是块状的,则CR流量图像应该能反映出它的块状结构. ①N FW模型—是Navarro- Frenk- White暗物质晕密度模型,其密度按径向分布,随半径增大,密度减小.因此,湮灭方案可通过覆盖全天区的实验来验证,在Pierre Auger实验和未来的空间实验,如EU SO[ 74 ]和OWL[ 75 ]都能覆盖南半球并能看到银心(GC)方向,从而可以验证暗物质是否有块状分布的存在. WIM PZILLAs机制没有GZKOCutoff限制,一旦在实验上确证了GZKOCutoff的存在,则将会限制这一理论. ※※※※※※ 我的理论：《五维时空与运动力学》http://xdlbj.com/dod/wuweitime.rar 提出杠杆、电梯悖论，对相对性原理提出质疑，并提出了新的理论。很简洁地推导出实物粒子的质量增大、时间变慢等现象，质能公式E=mc2 ，并且对这些现象作出了新的解释，杜绝了狭义相对论的悖论。 |
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1991年，美國酋他州「蠅眼」探測到最高能的宇宙射線，達 3.2 x 1020 電子伏特，是當今最強粒子加速器所能及的一億倍。 http://www.phy.cuhk.edu.hk/astroworld/cosmic/history.html> Research History 1912
赫斯乘坐氣球，於海拔五千公尺首次發現來自外太空的穿透性輻射（即宇宙射線）。 Hess discovered cosmic rays. 1927斯科別利茲利用雲霧室首次攝得宇宙射線痕跡的照片。 Cosmic rays seen in cloud chamber. 1932利用雲霧室，安德森發現源自宇宙射線的反電子痕跡。 Anderson discovered antimatter.
密立根指出，穿透性輻射的本質是宇宙 g 射線，所以應該稱之為「宇宙射線」；但證據指出，大部份宇宙射線都是高能粒子，因而引起一場爭論。 Debate over cosmic rays. 1937內德梅耶和安德森發現宇宙射線中的亞原子粒子： m 子。反電子和 m 子的發現揭開了粒子物理學的序幕。 Discovery of muon m . 1938
奧格爾發現廣延空氣簇射。簇射是由原始高能粒子撞擊產生的次級亞原子粒子。他更發現簇射的能量高達 1015 電子伏特，即當時已知的一千萬倍。 Auger discovered extensive air showers. 1946
羅西與查才品領導的小組進行首次空氣簇射結構的實驗。研究小組建立首個探測空氣簇射的相關探測器陣列。 First air shower experiments. 1949費米發表宇宙射線理論，嘗試以超新星爆發的磁力衝擊波來解釋宇宙射線的粒子加速機制，但未足以解釋最高能宇宙射線的存在。 Fermi's theory of cosmic rays. 1962
利用新麥西哥州的火山農場的探測器陣列，林斯里與其合作者探測到第一顆能量高達 1020 電子伏特的宇宙射線。 First 1020 eV cosmic ray detected. 1966於六零年代早期，彭齊斯和威爾遜發現宇宙瀰漫著低能量微波背景輻射。格雷森、查才品和古茲文指出，由於微波背景輻射的影響，宇宙射線的能量應低於5 x 1019電子伏特。 Proposal of GZK cutoff energy for cosmic rays. 1991
美國酋他州「蠅眼」探測到最高能的宇宙射線，達 3.2 x 1020 電子伏特，是當今最強粒子加速器所能及的一億倍。 Fly's Eye detected highest-energy cosmic ray. 1994
日本明野巨型空氣簇射陣列和俄羅斯西伯利亞東部的雅庫次克研究小組，探測到第二高能的宇宙射線。即使沿著射線的源頭搜索，亦沒有天體能產生如此高能的宇宙射線。 AGASA high-energy event. 1995皮埃爾‧奧格爾計劃開始。參與計劃的二百五十多名科學家分別來自約二十個國家。 Pierre Auger Project begun. ※※※※※※ 我的理论：《五维时空与运动力学》http://xdlbj.com/dod/wuweitime.rar 提出杠杆、电梯悖论，对相对性原理提出质疑，并提出了新的理论。很简洁地推导出实物粒子的质量增大、时间变慢等现象，质能公式E=mc2 ，并且对这些现象作出了新的解释，杜绝了狭义相对论的悖论。 |
