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George Musser：宇宙线之谜——超出GZK阈限的宇宙线意味着什么？
宇宙线之谜——超高能宇宙线可能会揭示自然界力的统一 作者：George Musser 殒石被称作穷人的空间探测器，因为它们是来自遥远空间的廉价样品。按此说法，宇宙线必定就是穷人的粒子加速器了。1991年，设在犹他州的一台仪器检测到一颗来自御夫座方向的宇宙线粒子，它的能量为3乘以10的20次方电子伏特，超过现今加速器的能量范围1亿倍以上。自然界慷慨赠送给研究人员的这种高能粒于可以实现专用加速器长期以来追求的目标：对当前标准模型的基础物理学进行探索。 多年来，人们一直认为1991年探测到的宇宙线以及另外几个类似的例子——例如东京以西的Akeno巨大空气簇射阵列(AGASA)所记录到的事件——可能是假象。但是，去年夏天，东京大学Masahiro Takeda和AGASA小组的其它成员报导了另外5个类似事件。该阵列每年观测到大约一个这样的事件，而且没有任何迹象表明它们的能量有任何上限。 当前的理论认为这是不可能的。如果这些宇宙线如实验所提示的那样是质子或原子核，那么它们的运动速度必定几乎达到光速。在这样的速度下，宇宙微波背景辐射——充满空间的稀薄的原始辐射气体——显得就象一片浓厚的海洋。费力地穿过这片海洋的粒子将失去能量，直至其能量减少到5*10^19电子伏特——即所谓的Greisen-Zatsepin-Kuzmin阈限以下。在穿越1.5亿光年的距离以后，任何通常的粒子都不可能仍然具有所观测到的高能量。 但是天文学家们在这一距离内没有发现任何可能的能量源。爆发恒星只能把粒子加速到所需能量的1％左右，而已知的威力最大的宇宙弹弓——即类星体与活动星系核（大质量黑洞在吞食物质时的副产物）——的距离又太远了，正如犹他州大学的Jerome W.Elbert和PaulSommers在1995年所证明的那样。研究人员现在不得不考虑在两个同样怪异的结论中选择一个：或者是宇宙线避开了Greisen—Zatsepin—kuzmin阈限的限制，或者是它们的起源并非通常的天体。 纽约大学的Glennys R.Farrar和德国波恩马克斯·普朗克射电天文学研究所的Peter L.Biermann倾向于前一种可能性。他们把能量最高的5个宇宙线事例与罕见的年轻类星体的方向作了比较。这些类星体的距离在40亿光年到130亿光年之间。如果宇宙线穿过了这样长的距离，那么它们必定是一类几乎不受宇宙微波背景辐射影响的粒子。类似质子的一种中性且较重的粒子将具有这一性质。标准模型没有预测存在这样一种稳定粒子，但依赖于超对称性概念的更高级理论则的确预言了这样一种粒子，即所谓的So粒子。 范始比尔特大学的Thomas J.Weiler提出的另一个设想是，高能中微子同在银河系中运动的其它中微子相撞，产生向地球方向运动的碎片粒子。这个设想的唯一要求是中微子必须具有微小的质量——这又是对标淮模型的发展。还可以设想根本不存在Greisen-Zatsepin-Kuzmin阈限，正如哈佛大学的Sidney Coleman和Sheldon L.Glashow在去年8月所猜测的那样。但如果是这样，那么狭义相对论在高能条件下就不成立。 如果Farrar和Biermann所观察到的相关性被证明是纯属巧合，情况又如何呢？这时宇宙线就必定来自某种尚未辨认出的天体现象。伽玛射线爆的谜一般的起源可能就是这种现象。更奇异的候选者包括时间和空间结构的的缺陷，如单极子和宇宙弦等。这些奇异实体的折皱藏有早期炽热宇宙的缩影，其中自然界的各种力是统一的，当它们衰变时，就发生微型的大爆炸，产生出其能量高达统一尺度（约10^25电子伏特）的粒子，名为“crypron”和“vorton”等。高能宇宙线可能就是这些粒子或其衰变产物，正如费米国立加速器实验室的Christopher T.Hill和David N.Schramm以及俄亥俄州立大学的Terrence P.walker在1987年首次提出的那样。 模型的数目之多超过了数据点的数目，这大概不是一个好的迹象。芝加哥大学的James W.Cronin说：“有这样多的猜想，说明我们对这个问题的认识其实根本就不多。” 为了扭转数据点过少的状况并使之占优势，Cronin和利兹大学的Alan A.Watson领导了Pierre Auger项目。这项目际合作研究计划将改造两个巨大的宇宙线观测站，一个设在盐湖城南部，另一个设在圣拉斐尔附近的阿根廷西部葡萄酒之乡。每个观测站的灵敏度都相当于AGASA的50倍，因此其检测宇宙线的速率也将有相应的提高，与此同时，犹他实验的改进型装置——高分辨率蝇眼——也将在今年晚些时候开始扫描天空。理论家们很快就不能随意地构想模型了。 刘丽薇/译 小丸子1/扫描、审校 黄新卫修改了个别错字 ※※※※※※ 我的新论文《用中智学分析和改造狭义相对论》，没有被《前沿科学》采纳的文章。http://www.bjxdl.net/bbs/ViewFile.asp?FileName=20074291414414.rar 用winrar解压缩后就可以阅读 |