天文科普之揭秘宇宙线，打开宇宙之门的金钥匙

 宇宙线是一种来自宇宙的高能粒子流，是联系宇观、微观世界和日地环境变化的天然的宝贵科学资源。
　　自1912年奥地利物理学家赫斯（Hess）乘坐热气球发现宇宙线以来，宇宙线研究已取得了很大成就，而我国创建的羊八井国际宇宙线观测站已成为世界一流宇宙线观测窗口。
　　时值第32次国际宇宙线学术大会之际，一场纪念宇宙线发现者HESS举办的公众报告，为国内的科学爱好者讲述宇宙线和高山观测，解开宇宙线的神秘面纱。
       所谓宇宙射线，指的是来自于宇宙深处的高能粒子流，携带着宇宙起源、天体演化、太阳活动及地球的空间环境等科学信息，是一种宝贵的科学资源。1912年，德国科学家韦克多·汉斯带着电离室在乘气球升空测定空气电离度的实验中，发现电离室内的电流随海拔升高而变大，从而认定这是来自地球以外的一种穿透性极强的射线所产生的，于是有人为之取名为“宇宙射线”。
　　宇宙射线的发现
　　奥地利物理学家赫斯(Victor Franz Hess,1883-1964)（右图）是一位气球飞行的业余爱好者。他设计了一套装置，将密闭的电离室吊在气球下。他乘坐气球，将高压电离室带到高空，静电计的指示经过温度补偿直接进行记录。他一共制作了十只侦察气球，每只都装载有2～3台能同时工作的电离室。
1911年，第一只气球升至1070米高，辐射与海平面差不多。1912年，他乘坐的气球升空达5350米。他发现离开地面700米时，电离度有些下降（地面放射性造成的背景减少所致），800米以上似乎略有增加，而后随着气球的上升，电离持续增加。在1400米～2500米之间显然超过海平面的值。在海拔5000米的高空，辐射强度竟为地面的9倍。由于白天和夜间测量结果相同，因此赫斯断定这种射线不是来源于太阳的照射，而是宇宙空间。

　　赫斯认为应该提出一种新的假说：“这种迄今为止尚不为人知的东西主要在高空发现……它可能是来自太空的穿透辐射。”1912年赫斯在《物理学杂志》发表题为“在7个自由气球飞行中的贯穿辐射”的论文。
　　赫斯的发现引起了人们的极大兴趣，从那时开始，科学界对宇宙射线的各种效应和起源问题进行了广泛的研究。最初，这种辐射被称为“赫斯辐射”，后来被正式命名为“宇宙射线”。当时，许多物理学家怀疑赫斯的测量，并认为这种大气电离作用不是来自太空，而是起因于地球物理现象，例如组成地壳的某种物质发出的放射性。现在认为，宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子流的总称。
1914年，德国物理学家柯尔霍斯特（Werner Kolhorster，1887-1946）将气球升至9300米，游离电流竟比海平面大50倍，确证了赫斯的判断。
　　纪念赫斯宇宙线发现百年的意义
　　1912年奥地利科学家赫斯的一次完美气球飞行实验，结束了人们关于空气电离之地面（天然放射性）起源和非地面起源之争论，使人类得知了（业已充斥宇宙百亿年）宇宙射线的存在，人类从此获得了一个新奇的科学宝藏，和一种远强于卢瑟福用以发现原子核的天然放射性粒子炮弹，可以去轰开原子核这个坚固的堡垒去观察基本粒子的大千世界。
　　此后，自上世纪三十年代起的20多年间，人们使用威尔逊云雾室、电子灵敏核乳胶和GM计数管，连续发现了正电子、μ子、π介子、K介子及Λ、Σ超子等基本粒子，开创了粒子物理学，促进了能产生π和核子的高能加速器的应用（1955）和发展，从而打下了现代天文学和宇宙学的基础（粒子物理成了大爆炸后宇宙及天体演化、元素合成、以恒星内核子锅炉精确推演恒星进化生死的全过程）。所以，宇宙线的发现是人类科学史上的一大里程碑，把人们的视界扩到了粒子层次的微观世界，并把无限小的微观世界与无限大的宇观世界自然地连结了起来。
　　接着陆续发现的宇宙线的东西效应、纬度效应、太阳调制、太阳高能粒子事件（SEP）等又把宇宙线与地磁场、大气层、太阳活动、日地空间环境联系了起来，使人们从生存和发展的角度具体感受到了宇宙线的存在。宇宙线是个直接联系于最大的宇宙、最小的粒子、最远的过去、最近的此刻、‘咳咳嗽地球就会感冒的’太阳，为地球生命防卫太阳风暴和宇宙线袭击的地球磁场和大气层的‘多面神’。他是我们无法摆脱的、时刻与我们身体亲密接触的‘朋友’，宇宙派遣来的‘天使’，取之不尽的科学‘宝藏’。面对这样的角色，纪念人类与它的百年相识，自然是意义非凡的了。
　　宇宙线探测方式
　　直接探测法——1014eV以下的宇宙射线，通量足够大，可用面积约在平方公尺左右的粒子探测器，直接探测原始宇宙射线。由于宇宙线与地球大气相互作用, 直接地测量宇宙线便需在大气层外或大气层顶部进行，卫星、空间站和高空气球是常用的工具。直接探测能够比较准确地得到宇宙线信息, 包括成分、能谱等；然而送上天的设备不能太大，这便局限了人类的直接探测能力。

　　间接探测法——1014eV以上的宇宙射线，由于通量小，必须使用间接测量，分析原始宇宙射线与大气的作用来反推原始宇宙射线的性质。宇宙线和大气发生相互作用产生次级粒子，次级粒子进一步产生三级粒子，并如此发展下去，科学家称之为广延大气簇射。广延大气簇射由法国物理学家奥格尔于1938年发现。西藏羊八井宇宙线观测站，即是利用广延大气簇射探测宇宙线。
　　大气簇射的荷电成份主要以轻子（电子、缪子）居多，重子最少。探测大气簇射有三种方式：地面（及地下）阵列、大气切伦可夫望远镜、大气荧光望远镜。
       地面（及地下）阵列通常需要多个带电粒子探测器组成，分布于广大的区域，次级粒子才能有充足的取样，可全天候、全日制操作。切伦可夫望远镜可探测由簇射次级粒子产生的切伦可夫光，熒光望远镜可探测簇射带电粒子游离氮气产生的熒光，这两种望远镜只能在晴朗无月的夜间操作且需避开城市光源，平均操作时间只有10%。

 

我国的宇宙线研究 　　从人类历史上对宇宙线的探索，我们已经知道，各国科学家对宇宙线探索的历史。那么我国对宇宙线的探索起源于何时？中国的宇宙线研究始于1951 年，是建国初期最早建立起来的物理学研究课题之一，至今已有50多年的历史: 　　（1）以云雾室为代表的宇宙线奇异粒子及超高能相互作用研究，在50年代找到大量的奇异粒子。1972年云南站捕捉到的一个可能的重质量粒子。 　　（2）以利用我国西藏的独特地理优势建设的甘巴拉山高山乳胶室和羊八井广延空气簇射阵列（中日合作）等地面类实验装置为代表的宇宙线物理研究，建立了我国研究基地，其中的一项工作（宇宙线各项异性）取得的重要成果曾发表在美国《科学》杂志2006年314卷上。评为中科院2006年度十大创新成果之一。 中意合作的羊八井-ARGO实验的建成和中日合作羊八井空气簇射阵列的继续和扩建，亦将为我国的宇宙线物理研究写下新的篇章。 　　高能所宇宙线研究早期代表性成果： 　　1、 1954年在海拔3200米云南落雪山建成宇宙线实验室。首先用一台赵忠尧和王淦昌先生从美国带回来的50cm x 50cm x 25cm多板云室和一台自制的安放在7000高斯磁场中的30cm x 30cm x 8cm云室，进行电子簇射，奇异粒子和100GeV以上能区核作用研究。下图左为云海之上的高山实验室，中为多板室得到的电磁簇射，右为磁云室得到的奇异粒子（K介子）。 　　2、 1956年我国决定参加1957年国际地球物理年的科学观测。在肖健先生领导下研制μ子望远镜和中子堆1957年7月 1日前安装在北京白家疃和云南落雪山两个站上，进行宇宙线强度的长期观测。 　　1958年国家准备发射卫星，肖健先生领导一个小组研制卫星上的宇宙线探测器。 　　3、 1958年建造大云室组，1965年调试基本完成，1971年开始研究工作。得到一个质量大于12GeV可能的重粒子事例。 　　（上图为事例照片，其中左边为全景，通过测量各条径迹在磁场中的偏转测它的动量；右边之照中心区域，可通过数个2条径迹的水珠数测它的电离。） 　　对事例中三条径迹的测量分析表明，左边一条为6.6GeV的，其余两条径迹动量都高过最大可测动（48GeV），而右边一条电离低，仅约为左径迹的三分之二，从而可判断它的速度，结合其动量值就能计算出它的质量大于12GeV，它还有千分之2的几率是质子，是一个可能的重粒子事例。 用大云室还作了测量宇宙线中的反质子流强，在水平方向寻找重粒子等研究工作。还用大磁场构成磁谱仪测量高山μ子动量谱。 经历科技创新的大好形势，近年来高能所的宇宙线研究正步入一个新阶段，以空间X射线调制望远镜为代表的空间高能天文专用卫星即将立项，必将为我国空间高能天文观测和黑洞物理带来丰硕成果。中意合作的羊八井-ARGO实验的建成和中日合作羊八井空气簇射阵列的继续和扩建，亦将为我国的宇宙线物理研究写下新的篇章。

 

 

 

 

宇宙线研究的前沿科学问题 　　自1911年亥斯（Hess）发现宇宙线以来，各国的科学家对宇宙线的研究已接近100年。 　　1）作为高能粒子炮弹，可担当加速器实验尚无法实现的重要研究课题。 　　研究此能区高能作用的主要特征，特别是对撞机难以观测的极端朝前区，捕捉可能出现的反常（相对于标准模型）现象、稀有事例（如宇宙线实验中曾出现过的大横动量多芯事例、hatron-bundle、 缺π0的Centauno型事例，及理论预言过的某些新粒子）。要知道，无论人类怎样投入，人造加速器都无法与宇宙加速器相比。目前已知宇宙线中有能量为北京正负电子对撞机百亿倍高能粒子。 像用人造的或月－地天然磁谱仪寻找反物质并探究其起源，捕捉来自山体方向的EAS来确认中微子震荡的存在(一些宇宙远方的高能μ中微子在长程旅行中转化为的Tau中微子在穿过山体后有机会转化为Tau, Tau衰变产物中的电子或强子必然于大气中引发的EAS)等，也是宇宙线研究粒子物理的特色方法。 　　2）作为宇宙的物质样品和人们的研究工具，人们自然要问：它是什么？出产在哪里？怎样被加速到如此高能又怎样来到地球的？ 这就是宇宙线的（元素）成分、能谱、起源、加速和传播课题。 　　关于成分。在GeV和TeV能段，已有的和新的空间和气球探测器避开大气的直接测量揭示，宇宙线的元素构成与银河物质的基本相同，又反映了它们在宇宙空间传播的次级效应和与恒星生命晚期的联系（铁族重核在宇宙线里的丰度很高）。然而受限与尺寸、重量和滞空期，大型气球实验在接近100TeV时已显得力不从心（统计量严重不足）；而能很好工作于超高能区的EAS粒子阵列，是通过对其在大气层中经过多代级联而发展成的EAS粒子群的间接测量来推算成分的，这中间要用到由加速器实验结果外推而得到的超高能作用模型，模型中的某些假定性带来了其原初粒子成分认证上的不确定性。为改善这种状况，现在的空间实验在努力增大其体量（如美国NASA 的CREAM 跨大西洋气球实验，仪器尺寸达1.2米，最高能测到1000TeV以上的粒子）；而地面EAS阵列也在往逐事例测量EAS粒子的详细时空分布和同时观测多种次粒子的方向努力（如羊八井阵列的地毯化和正实施中的ASγ阵列μ子探测器计划），来改善其对原初宇宙线成分的区分。 　　关于能谱。空间、气球(<=100TeV) 和地面EAS测量（>=100TeV）的联合给出了一个跨11个量级的宇宙线原初能谱。其中在GeV能段的随时间变化反映了太阳对银河宇宙线的调制；在5000TeV附近的‘膝’、在EeV附近的‘踝’结构和在近100EeV的GZK截断，可能蕴藏着此能区宇宙线成分、起源和传播中的重要宇观和微观信息。 就膝区而言，这叫‘膝区物理’。作出精细的膝结构（发现于1958年，至今各家仍难统一），破解其形成之谜，是高山实验特别是羊八井的责任。期待已运行取数的欧洲大型强子加速器（LHC）及早将此能区高能核作用的特性摸清，以构建出更为可信的EAS发展模型，使超高能宇宙线数据分析中长期存在的成分和模型互相纠结问题得以解脱，成分识别的唯一性将因此得以提高。得此助益，膝区物理的突破定可期待。而测准极高能的能谱截断，关键还是要改变事例数太少、统计严重不足的局面。这需要在海平面的巨型EAS粒子阵列（如在阿根廷的Auger）和新一代太空（俯看）EAS大气荧光望远镜（如计划于2016年上国际空间站（ISS）的JEM-EUSO）及近年再度兴起的大EAS射电脉冲探测试验（如在南极上空气球上的探测雪地反射回去的EAS脉冲射电波的ANITA计划）获得成功，并积累起足够的事例数（100平方公里地面平均每年才有1个100EeV能量的宇宙线粒子落下），来作出可靠的宇宙线极高能区能谱，澄清Cut-off之谜，直接追踪极高能宇宙线源（最最高能的宇宙加速器）。 　　关于起源。 理论上，我们相信宇宙线主要是恒星生命末端灾变的产物（如超新星爆发及其遗迹星云和脉冲星；大质量黑洞及以它为中心的活动星系核等），但真正实验找到的迄今还只有壮年的太阳。不过，太阳只能在其耀斑爆发和日冕物质抛射驱动的激波里才能加速粒子到MeV以上的高能，是个很弱且间歇式的低能宇宙线源；而它强大的太阳风倒是个阻止低能银河宇宙线进入太阳系领地的宇宙线强度的“调制器”。 　　为弄清起源问题，最根本的一步是要找到几个具体的宇宙线源天体，以便对其进行长期持续的跟踪观测，通过它的时变规律和能谱特征研究，了解那里的物理条件和产生加速机理。由于宇宙线多是荷电的裸核（主要是氢核即质子），他们在充满微弱磁场的星系际空间的长途旅行中早已被偏转得失去了原来的方向，只有其中的中性长寿命粒子（高能γ和中微子）不受磁场影响保持着其对老家的指向性。又由于中微子极难探测，我们偏爱以探测某候选天体方向上的高能γ的超出来寻找γ源。于是，自上世纪80年代中叶起，以空间的γ望远镜、地面的大气切伦科夫望远镜（IACT）和EAS阵列（前者如在轨的Fermi空间望远镜，在纳米比亚的HESS、在欧洲的MAGIC 等； 后者如羊八井的ASγ多点取样阵列和ARGO全覆盖地毯式阵列）为工具，以寻找γ源为主要目标的‘γ天文’在全球兴起至今未艾。迄今，空间实验已找到千多个GeV级γ源天体，地面试验也找到了约百个之多的TeVγ源。但究其来源，它们都属于高能电子源，而非真正的宇宙线源。现在德国的KASCADE阵列已经完成了其大型μ子探测器阵列的新建，我国羊八井也正在ASγ阵列中添加大型μ子探测器，计划中的LAHASO阵列也包含大量μ子探测器，以便能更高效地挑选出γ引起的EAS, 从而降低本底、提高灵敏度，在100TeV能区避开超高能电子（在其源区光子场中的的逆康普顿散射）产生γ的机制，而确保找到的γ源就是宇宙线源（源于超高能质子在源区核作用产生的π0衰变），以便跟踪研究。 　　上述诸项，都在逐年积累数据、改进精度，但真正的突破性进展尚待努力。 　　3）寻找反物质和暗物质 　　为什么现实世界都是由正物质构成的？难道是重子数不守恒了？C和CP破坏了？早期宇宙出了点什么状况？还是一切正常只是等量的反物质集中存在于宇宙的某个远方？为破解此谜，自上世纪90年代起就有一批气球带着磁谱仪上天直接测量反质子和反核的相对丰度（如BESS 和现在的BESS Polar 这样的气球载反质子谱仪；现在还有丁肈中主持的AMS 空间站质谱仪），它们在GeV能区得到了越来越精确的反质子、反核的相对丰度数据及其随能量的依赖的曲线；但由于此能区的背景复杂难以靠理论计算一一去除，测到的这些反核究竟是来自宇宙远方还是我们银河内粒子核作用的本地产物？一时尚难廓清。倒是作为副产品，这些质谱仪都测出来了一段较前更加精细的多种元素的能谱，为低能宇宙线成分研究提供了更详实的资料。利用月球和地磁场组成的天体磁谱仪，羊八井的两个阵列都测量了～10TeV能区（这里的背景相对要单纯些）的宇宙线月影偏移，也初步给出了两个反质子丰度上限值（较以往别家上限更低点），说明改进阵列角分辨并长期积累更多事例将有希望使此方法更有竞争力。 　　种种迹象表明，宇宙中的暗物质总量约占（由重子组成的）可见物质的5倍多，可暗物质是什么？分布在哪里？却无人说的清。大家倾向认为，最可能的暗物质候选者是预言中最轻的超对称粒子Neutralino, 它的质量大（50GeV-10TeV）、寿命长、作用弱、速度低，因而可聚集成团。在浓密的聚集区里它们总有互相碰撞的机会，从而可以通过自湮灭而产生能量等于该粒子质量的单能γ射线。利用地面的成像大气切伦科夫望远镜阵列（ICAT）和能较好分辨质子和γ簇射的EAS 阵列，观测某些特定天区的弥散γ射线，测其能谱，谱中若有一鼓包出现，即是叠在弥散背景上的Neutralino湮灭线，其在能量轴线上的位置就对应它的质量。正处于运行当中的Fermi 空间望远镜、地面许多大型ICAT在100GeV之下，改进后的羊八井阵列在TeV以上均有作出贡献的机会。（只是前二者是指向跟踪工作模式，观测这个就不能观测别的，要单独拿出时间专做此项观测；EAS粒子阵列是半全天尽收眼底的全天候工作模式，可以同时兼作多项工作，只是甄别γ的效率较低。） 　　4）针对地球“空间天气”的宇宙线强度监测和寻找灾害预警办法应用研究 　　除了宇宙线强度全球监测网仍在运行，长期连续地积累反映太阳活动长期变化的档案性数据外，对太阳活动和日地空间环境的短期变化的实时监测研究显得更有现实意义。参与多波段的地球‘空间天气’日常监测，研究突发的太阳高能粒子事件（SEP）及其后续效应（磁暴、电离层扰动等）对航天器、宇航员、通讯、导航、地面高纬区的电网、输油管线的破坏作用，探索利用SEP高能粒子比同一事件中浓度更高、破坏力更强的低能粒子暴可能先到的10－60分钟，能否为相关的空间和地面灾难提供即时的预警，已是人类社会对宇宙线研究提出的一项紧急应用研究课题。 　　5）探索和发展宇宙线中微子天文 　　在恒星内部的‘核子锅炉’里，在宇宙线源区的核作用次级产物的弱衰变中都有大量的中微子产生。它们是可穿透天体或自天体内部出发的宇宙‘使者’，精准地保持着它原始的行进方向，可以引导我们找到远方的宇宙线源或激烈活动的高能天体。但是，由于中微子的作用截面特小，难于探测，中微子探测器必须包含巨大规模的靶物质。于是先后出现了夏威夷、地中海、贝加尔湖等水下、南极冰下(ICE-CUBE）、地下水池中（日本神冈和超神冈）和空中或地面的EAS无线电脉冲探测（ANITA等）等大型中微子探测装置问世。神冈实验于1987年探测到了来自超新星SN1987A爆发的中微子，实验地支持了超新星理论模型，它积累的数据还确认了太阳中微子缺失的事实成为中微子震荡的间接证据，使得小柴昌俊荣获了2002年诺贝尔物理奖。 　　地面EAS 阵列原则上可以通过观测水平EAS或被数公里外的一座大山档着视线的大天顶角EAS，甚至用通过自地下上行的（up-going）粒子来探测中微子，但由于阵列探测器要垂直于地面放置和别的麻烦，至今少有人加以实施。 《小贴士1》   能量单位符号 MeV＝百万电子伏，其后是TeV、PeV、EeV，它们各相继增加1000倍。MeV是核能的能标。 《小贴士2》   EAS (Extensive Air Shower) ：广延大气簇射。能量足够高的原初宇宙线粒子（质子、氦核、…、铁核、γ等）进入地球大气层，必然会与空气原子核发生高能相互作用，产生大量的次级粒子（核子、介子，甚至迄今尚属未知的粒子）。这些一级次粒子中的核作用粒子在前进中又继续与空气原子核碰撞，一代又一代，形成‘核级联’。在每次核作用中产生的π0，立即衰变为两个γ，γ又转化为电子对，电子、正电子又通过韧制辐射产生γ，从而围绕核级联主干形成庞大的‘电磁级联’。这些同一祖先的粒子们组成一个庞大的扁盘状的粒子群（在大气中逐渐长大又逐渐衰减）以光速自天而降，在土中被吸收；而其中（在核级联中产生的介子和某些重子的衰变中产物）的大量的中微子和μ子则继续往地下穿行。EAS粒子群的大小依赖于引起此EAS的原初宇宙线粒子的能量和它在大气层中的位置。在羊八井，一个膝区能量的垂直入射的EAS会拥有百万个带电粒子（及数倍更多的γ和中微子），中间密集边上稀疏地分布在直径2－3百米的范围内。 《贴士3》EAS的探测。 　　（1）EAS粒子阵列。最直接的探测。以众多粒子探测器在约百平米（适用于超高能区；对极高能区的观测则需在百平方公里）地面组成多点取样的（或地毯式的）探测阵列，测定簇射的到达方向、粒子密度分布、粒子总数、原初能量，供各种物理工作之用。特点是只有这种方式可以测定EAS的结构，而且视场大（半全天）、全日制、风雨无阻。依赖于阵列大小和所在海拔，其工作能区可以自TeV一直延伸至最高能（100EeV）。 　　（2）IACT. 用球面或抛物面镜子收集EAS粒子通过大气时的次级效应发出的切伦科夫光（锥），使之在众多光电倍增管上成像，测定EAS的到达方向和能量。特点是方向准、区分原初γ和质子效率高，很适合寻找γ源，。但只能在晴朗无月之夜才能观测，且是望远镜似的指向跟踪，不能同时看两个源。 　　（3）EAS大气荧光装置。在较远的地方以‘蝇眼’似的光学装置探测巨型EAS 的带电粒子激发空气原子发出的大气荧光。也是测量到达方向、簇射能量，并有簇射发展极大位置的粗略信息。荧光是各向同性发射的，可以把设备放在空中去看以扩大视场。专门用于极高能宇宙线的观测。也只能在晴朗无月夜晚工作。 　　（4）EAS 的射电观测。 伴随大型EAS的众多带电粒子，有脉冲无线电信号发出。利用大型相关频率的天线阵列，可以探测到此信号。人们企望用此方法廉价地扩大极高能宇宙线观测的有效面积，并为中微子天文找到简易工具。现尚处于试验期，它的主要难度是如何有效剔除空中的种种射电噪声和找出其某可测量与簇射能量之间的确定的关系。期待这一波试验热潮得以成功。

 

 

 

宇宙线与高山观测

　　早期的的高山站
　　为避免大气层对宇宙线的过度衰减，人们纷纷上山。高山站成为发现基本粒子研究其相互作用的摇篮。
　　人类对宇宙射线作微观世界的研究过程中采用的观测方式主要有三种，即：空间观测、地面观测、地下（或水下）观测。 为了有效和长期对宇宙射线进行观测，各国相继建立了观测站。1943年，前苏联在亚美尼亚建立了海拔3200米的阿拉嘎兹高山站；日本在战后建立了海拔2770米的乘鞍山观测所；1954年我国建立了海拔3200米的云南东川站。1990年，中日双方共同合作建立了西藏羊八井宇宙射线观测站。
　　                                                                          法国南部Pic du Midi 山

　　30-40年代，许多著名前辈都在此工作过，“奇异粒子”自然热闹过，有说第一个Λ0 and Σ 超子事例也出自这里。1963年，NASA用这里为月亮作图站；1980年2米望远镜开始工作。
　　                                                           
                                                                   意大利 Testa Grigia Research Station

　　早年，许多名人来此工作过：罗马的E.Fermi(诺贝尔奖)，Manchester的G.D.Rochester和P.M.S.Blacket(诺贝尔奖), Bristol 的 C.F.Powell(诺贝尔奖)。现在开展的宇宙线实验有意大利都灵组的高能珈玛暴（闪烁体）监测等。现已关闭。
　　                                                                  
                                                                             美国Evans 山和回声湖观测站

　　早年，活跃在这里的著名学者有：Bruno Rossi(M.I.T.), Guiseppe Cocconi (Cornell), Val Fitch(Princeton), Marcel Schein (Chicago), Wayne Hazen(Michigan), Joyce Stearns and Mario Iona.
　　                                                                          
                                                                                      前苏联帕米尔高山站

　　                                                                        
                                                                              前苏联现亚美尼亚Aragats站

　　Aragats站3200m，距埃里温市50Km，其间还有个Nor-Arbert站，既是强度监测站也是后勤支撑站。
此站在二战进行期间由两兄弟苏联院士Abram 和  Artem Alikhanyans(前者后改称Alihanov)建议，经斯大林批准筹建，1943开始运行。翌年，苏联原子能委员会埃里温物理所（YPI）建立。
　　玻利维亚的世界上最高高山站—Chacaltaya站
Chacaltaya站，5230m，这里曾发现过 π ，承担过日美玻合作的BASJE EAS实验和各种高山乳胶室实验。现有日本的中子监测器和意大利INFN的寻找磁单极子实验。已显衰落景象。
　　                                                                         USSR/俄国科学院天山站

　　俄国科学院天山站，海拔3340m，距哈萨克斯坦的阿拉木图40Km。
　　
                                                                                  日本乘鞍山宇宙线观测站

　　二战后即建站。60－80年代初，EAS实验十分红火；现只保留了宇宙线强度监测和一些小型实验。
　　
                                                                                     我国的原子能所云南站

　　头顶青天脚踏云海的原子能所云南站3200m ，从1965—1982。 退役后为高能所4#厅实物展品
　　我国早期宇宙线观测高山站的创建者为肖健先生，战后他在美国做Anderson的研究生。研究奇异粒子。他用磁云室记录了30个奇异粒子事例，初步测量了它们的质量和寿命，证实了奇异粒子的存在。新中国一成立，未等论文答辩就急急回国来了。 1951以来，协助王昌、张文裕先生主持宇宙线组、室工作。创建了云南‘落雪实验室’，1958年后主持建成了云南宇宙线观测站。
　　我国云南站的一个可能的重粒子事例
　　1972年，我国云南宇宙线观测站发现一个事例，寿命长而且质量很大，是迄今为止还没有在其它地方发现过的任何粒子。可能是人们正在寻找的超对称粒子。

 

 

http://www./gb/special/20110830_yzx/yzxdwlzw.html        探索宇宙线之源 　　宇宙射线的研究已逐渐成为了天体物理学研究的一个重要领域，许多科学家都试图解开宇宙射线之谜。可是一直到现在，人们还没有通过实验找到具体的宇宙线的源。一般的认为，宇宙射线的产生可能与超新星爆发有关。对此，科学家认为，在理论上，宇宙线主要是恒星生命末端灾变的产物（如超新星爆发及其遗迹星云和脉冲星；大质量黑洞及以它为中心的活动星系核等），但真正实验找到的迄今还只有壮年的太阳。不过，太阳只能在其耀斑爆发和日冕物质抛射驱动的激波里才能加速粒子到MeV以上的高能，是个很弱且间歇式的低能宇宙线源；而它强大的太阳风倒是个阻止低能银河宇宙线进入太阳系领地的宇宙线强度的“调制器”。 　　不管最终的定论将会如何，科学家们总是把极大的热情投入到宇宙射线的研究中去。关于为什么要研究宇宙射线，罗杰·柯莱在其著作《宇宙飞弹》作出了精辟的阐释：“宇宙射线的研究已变成天体物理学的重要领域。尽管宇宙射线的起源至今未能确定， 人们 已普遍认为对宇宙射线的研究能获得宇宙绝大部分奇特环境中有关过程的大量信息：射电星系、类星体以及围绕中子星和黑洞由流入物质形成的沸腾转动的吸积盘的知识。我们对这些天体物理学客体的理解还很粗浅，当今宇宙射线研究的主要推动力是渴望了解大自然为什么在这些 天体上能产生如此超常能量的粒子。” 　　它还是个“多面神” 　　宇宙线主要由质子和各种元素的裸核组成。其能量跨11个数量级，其中最高能的粒子能量达北京对撞机的百亿倍。我们相信这些宇宙高能粒子加速器是大质量恒星生命末端的“灾变”的产物，但要待找到一批源于π0衰变的γ源，即质子源，才能得以证实。为此，我们期待含大型μ子探测器、有很高的P /γ分辨力的EAS阵列的建成和在100TeV 能区的搜寻结果。宇宙线还是个“多面神”，我们还期待它能帮我们揭开宇宙早期、宇宙远方、地球空间天气、反物质、暗物质及微观世界中的层层神秘面纱。 图要见PPT后重新制作。       宇宙线研究的将来课题： 　　找出源于质子的γ源天体,即宇宙线源进行长期跟踪研究，并配合“膝”等谱结构研究，切实破解宇宙线起源之谜。 　　与LHC配合，研究超高能粒子相互作用（宇宙线侧重在极端朝前区和新粒子新现象上互补），解开成分/模型纠缠。 　　寻找中微子震荡的证据。发展中微子天文。 　　寻找宇宙反物质，探究重子数是否对称等疑惑，回答坊间关于是否宇宙远方存在个纯由反物质组成的世界的问题。 　　寻找暗物质最可能的候选者（Neutralino）及其存在区域。 　　空间天气监测的常态化、多学科化、空地一体和网络化。对可能造成空间和地面灾害的太阳粒子事件实现预警的理想成真。 　　宇宙线是地球和人类无法摆脱的客观环境，要了解它以趋其利避其害，把它当作太阳活动和地球环境变化的晴雨表，了解宇观和微观世界的探针而善加利用。地球的磁场和大气层是保护我们免受宇宙线伤害的安全屏障，是成就地球这个宇宙中的绿洲孤岛的基本前提，我们要倍加爱惜。

 

 

 

版权所有：中国科普博览 http://www./gb/special/20110830_yzx/yzxnxs_01.html              宇宙线是什么？ 　　宇宙线是一种来自宇宙的高能粒子流，既是可以轰开原子核坚固堡垒的微观“炮弹”，又携带着宇宙起源、天体演化、空间环境和太阳活动等宇观信息，是一种不请自来、普天同降的宝贵科学资源。自1912年Hess乘热气球发现宇宙射线以来，研究宇宙线本身和萃取其携带的信息的努力就从未中断过。 　　在宇宙线被发现后的前40年科研活动中，人们主要是把宇宙线当作神秘、未知的微观大千世界世界的一大宝藏来挖掘，当作可轰开原子核坚固堡垒的高能炮弹来利用。但，一个最最基本的问题总是萦绕在人们头脑中，挥之不去： 　　它来自哪里？（起源） 　　寂静空旷的宇宙深处，时时刻刻都有人们看不见的宇宙线亦即高能粒子飞行，这是由于天体演化过程中不断地产生粒子流，这些粒子流有些来自超新星爆发，有些来自黑洞喷流，有些源自太阳爆发事件；它们一旦进入地球大气层即是敲碎原子核的利器。在其与大气层的原子核相碰撞的过程中，产生大量的高能次级粒子，继而引发连锁式的核反应、电磁级联和弱衰变，在大气中产生大量的新粒子驰向地面；其中的大多数被土壤吸收，还有的譬如μ子和中微子则可钻入地球深处，后者甚至穿透地球继续前行。 　　宇宙线的起源和传播是高能天体物理学中一个重要的问题。宇宙线是各种天体演化过程的产物，特别是各种高能天体物理过程的产物，携带着这些过程的丰富信息。 　　在本次纪念世界著名物理学家赫斯的公众讲座中，中国科学院高能物理所的谭有恒研究员告诉我们，宇宙线包括以质子为主的各类元素的原子核，以及大约只有原子核总数的1％左右的少量高能电子。其中约87%质子，12%α粒子（氦核子），其余大部分是原子核、电子、γ射线和超高能微中子也构成一小部分宇宙射线。宇宙线粒子的动能跨越十四个数量级，不同的能量反映了不同的起源。太阳宇宙线的能量最低，大约以10GeV作为起点，从100GeV到1017eV 的宇宙线主要起源于银河系内，而能量高于1017 eV的宇宙线，主要来自于银河系外的广垠宇宙。而地球表面的宇宙线流量大约随着能量的反平方而降。大量不同的粒子能量反映着多样性的源头。现在人们测到的宇宙线最高能量达10的20次方电子伏特。 （宇宙线具有跨十几个数量级的连续能谱。最高能粒子的能量近北京电子对撞机的百亿倍） 初级宇宙线的成分 　　　　在低能（*GeV级）： 　　　　质子 ～87% 　　　　氦核 ～12% 　　　　其它重核 ～1%（其中Li 、Be 、B组和 Fe 组超丰） 　　　　及少量电子、珈玛、反粒子 　　在超高能（>100TeV）:只有EAS间接测量，质子为主与铁等重核为主已的争论仍未结束。这是因为EAS实验结果的解释长期因作用模型与初级成分假定的相互纠缠而有二义性。随着LHC的进入超高能区，此老大难题的最终解决自会有期。        实际上，今天，人类仍然不能准确说出宇宙射线是由什么地方产生的，但科学家们普遍认为宇宙线主要是恒星生命末端灾变的产物（如超新星爆发及其遗迹星云和脉冲星；大质量黑洞及以它为中心的活动星系核等）；它们无偿地为地球带来了日地空间环境的宝贵信息。科学家希望接收这些射线来观测和研究它们的起源和宇观环境中的微观变幻。 　　超新星爆发是银河系内最猛烈的高能现象。银河系超新星爆发的平均能量输出可以满足维持银河宇宙线能量密度的需要。蟹状星云等超新星遗迹强烈发射高度偏振的非热射电辐射，它们应当是高能电子在磁场中的同步辐射。超新星遗迹中存在着大量的高能电子，应当是宇宙线高能电子的发源地。人们普遍设想超新星爆发及其遗迹也应当发射高能原子核，成为宇宙射线的主要来源。

 

 

 

    是保护神，还是魔鬼？　　寂静空旷的宇宙深处，时时刻刻都有人们看不见的宇宙线亦即高能粒子飞行，它们充斥整个宇宙，也时时刻刻飞临地球，幸而有大气层和地磁场的保护，使大量能量偏低的宇宙粒子被磁层阻挡、被大气吸收，从而使沐浴在宇宙线“枪林弹雨”中的人类及地球生物，免遭辐射损伤，得以生存繁衍，成就地球绿洲。那么，宇宙线的强能量对人类意味着什么？它是人类的保护神还是有害的魔鬼？
　　宇宙线它联系着宏观宇宙历史与微观粒子结构，是天体的信使；它们还与日地空间及大气环境等有着密切联系，因而亦是显示空间与大气环境变化的晴雨表。由此全世界的物理学家一直高度关注宇宙线研究的新进展并期望在地球上捕获它们，进而了解其携带的与宇宙形成、天体演化相联系的宇宙线起源的奥秘，了解遥远星系的构成，了解更加微观的粒子结构，并藉其消长预报可能的空间天气灾害。 高能宇宙线粒子和太阳粒子事件可能会危及进行太空飞行的宇航员的生命，还可能影响宇宙飞船，卫星等的正常工作及寿命。
　　宇宙线，对人类环境也有着相当大的影响。随着人类通讯、航空航天的发展，以及对环境的日益重视，人们越来越重视对宇宙线环境性的研究。这也是羊八井EAS探测器的新方向，它可以跟踪太阳活动，甚至可以最先感知突然的太阳磁爆，为空中的卫星提供十几分钟的预警。有效的空间和地面灾害预警还需要与航天、大气、地物、地震等学科开展交叉研究并实现国际资源共享，才能走向实用。
　　有些科学家认为，长期以来普遍受到国际社会关注的全球变暖问题很有可能也与宇宙射线有直接关系。此外，几位美国科学家还认为，宇宙射线很有可能与生物物种的灭绝与出现有关。对此，中国科学院的谭有恒研究员说，宇宙线是地球和人类无法摆脱的客观环境，要了解它以趋其利避其害，把它当作太阳活动和地球环境变化的晴雨表，了解宇观和微观世界的探针而善加利用。而人类——幸运地球上发育了40亿年生命圈中的幸运儿，应当感恩养育他的地球母亲，没有理由唯我独尊、索取无度。一旦因此造成大气破坏、江河污染、温度失控，离地球绿洲的大限就不远了。人类无节制的索取、不计后果的对经过40亿年的漫长进化才得以形成完美的地球大气和生物群体破坏的后果，是多么的愚蠢，无异于是自我毁灭。所以我们要共同保护我们的地球母亲。

 

 

    靠什么指引去寻找宇宙线源？　　通过不受偏转的高能γ射线寻找宇宙线产生源，成为20年来高山实验的主流手段——通过EAS阵列和大型IACT 望远镜。由于星际磁场和星际介质的影响，宇宙线粒子在星际空间中经历着复杂的传播过程。带电粒子在传播过程中受磁场影响而偏离其原本方向．星际磁场就像一个搅拌机，将低能宇宙线粒子搅拌得各向同性，使高能宇宙线忘却老家在何方。
　　为弄清宇宙线起源之谜，最根本的一步是要找到几个具体的宇宙线源天体，以便对其进行长期持续的跟踪观测，了解那里的物理条件和产生加速机理。由于宇宙线多是荷电的裸核（主要是氢核即质子），他们在充满微弱磁场的星系际空间的长途旅行中早已被偏转得失去了原来的方向，只有其中的中性长寿命粒子（高能γ和中微子）不受磁场影响保持着其对老家的指向性。又由于中微子极难探测，所以人们偏爱以探测某候选天体方向上的高能γ的超出来寻找γ源。于是，自上世纪80年代中叶起，以空间的γ望远镜、地面的大气切伦科夫望远镜（IACT）和EAS阵列（前者如在轨的Fermi空间望远镜，在纳米比亚的HESS、在欧洲的MAGIC 等； 后者如羊八井的ASγ多点取样阵列和ARGO全覆盖地毯式阵列）为工具，以寻找γ源为主要目标的'γ天文'在全球兴起至今未艾。
　　 迄今，空间实验已找到千多个GeV级γ源天体，地面试验也找到了约百个之多的TeVγ源。但究其来源，它们都属于高能电子源，而非真正的宇宙线源。现在，包括我国羊八井在内的一些著名EAS实验基地正在实施在阵列中添加大量大型μ子探测器的计划，以便能高效地挑选出γ引起的EAS, 从而降低本底、提高灵敏度，在100TeV能区避开超高能电子（在其源区光子场中的的逆康普顿散射）产生γ的机制，而确保找到的γ源就是宇宙线源（源于超高能质子在源区核作用产生的π0衰变），从而开展对具体宇宙线源的长期持续的跟踪研究。

　　
       初级宇宙线粒子进入地球大气，与空气中的物质发生多次相互作用，会产生广延空气簇射，一个原初质子会产生上百万个电子和其他次级粒子，用高山和地面的探测器探测和研究这些次级粒子，形成了研究相互作用规律的宇宙线高能物理研究、以及研究初级宇宙线能量和方向分布从而推断其起源的宇宙线天体物理研究。

 

本帖最后由 人与自然 于 2012-4-3 16:00 编辑 版权所有：中国科普博览 http://www./gb/special/20110830_yzx/yzxnxs_04.html       　　那些充满生机的观测站 　　宇宙线进入地球大气层通过一系列物理过程可引发出地球上最壮观的多粒子现象——广延大气簇射(EAS)。在高山上可实现对EAS最精确的观测。        20年来，目睹了Norikura(2700m)、Chacaltaya (5200m)等老站的日渐衰落和天山、Aragatz(3200m)等的艰难维持及一些新站乘着潮流匆匆来去。倒是中国的羊八井，艰难出世、稳步发展、已进入产出期和更大发展机遇期，值得珍惜和期待。 在新时期，能长期存活并充满生机的高山站必是那些条件优越、侧重宇观、服务环境的多学科高山实验基地；也是那些既有大型的基础型、复合型设备又能调动国际优质人才和技术资源、吸纳多种高新技术的国际级高山实验站。 　　                                                       夏威夷  Mauna Kea Observatory 4200m,a.s.l. 　　这里晴天多、空气干燥，最适合光学、红外等观测。可惜地狭人多，山脊已被光学望远镜占满，没有地方放置EAS阵列和巨型ICAT阵列来作宇宙线实验。 　　                                                                                     新兴的印度  Hanle站 　　这里山包太小，容不下大型宇宙线设备。 　　目前他们在这里4270m处建设了一个小型的大气切伦可夫望远镜阵列，用来寻找伽玛源。 　　                                                                                      智利   Atacama高山戈壁 　　这里已被选作大型射电计划ALAMA实验地，最为干燥，适宜毫米波和光学观测。能否成为巨型IACT的基地？ 　　                                                                             中国  羊八井宇宙线观测站 4300米 　                                　羊八井别有洞天，全然没有高山站的通病：山险、地狭、路难、人孤的感觉。 　　                              在大气中，广延大气簇射（EAS）有其发生、发展、极大和衰亡的过程。在高山，才能看到能量较低的                                                                                小EAS及正当壮年的超高能EAS。 （在羊八井建立的EAS阵列） 　　初建即高山优势乍现（当时国际阵列最低阈能，日月阴影、蟹状星云均被看到）,才得以逐年发展，又看到Mark501、mark421的短期爆发，作出了宇宙线空间分布的精确天图。

 

 

 

本帖最后由 人与自然 于 2012-4-3 16:07 编辑 http://www./gb/special/20110830_yzx/jjyzx.html 人类历史上对宇宙线的探索 最初的迹象 　　宇宙射线的迹象在最初用游离室观测放射性时就被人们注意到了，起初曾认为验电器的残余漏电是由于空气或尘土中含有放射性物质造成的。 　　1903年，卢瑟福和库克研究发现，如果小心地把所有放射源移走，在验电器中每立方厘米内，每秒钟还会有大约十对离子不断产生。 　　1909年，莱特为了搞清这个现象的缘由，在加拿大安大略湖的冰面上重复上述实验，发现游离数略有减小。 　　1910年，法国沃尔夫在巴黎300米高的埃菲尔塔顶上进行实验，比较塔顶和地面两种情况下残余电离的强度，得到的结果是塔顶约为地面的64%，比预计的10%要高。他认为可能在大气上层有γ源，也可能是γ射线的吸收比预期的小。 　　1910-1911年，格克耳在瑞士的苏黎世让气球把电离室带到4500米高处，记录下几个不同高度的放电速率。他的结论是："辐射随高度的增加而降低的现象……比以前观测到的还要显著。" 宇宙射线的发现 　　奥地利物理学家赫斯设计了一套装置，将密闭的电离室吊在气球下，电离室的壁厚足以抗一个大气压的压差。他乘坐气球，将高压电离室带到高空，静电计的指示经过温度补偿直接进行记录。 　　1911年，第一只气球升至1070米高，在那一高度以下，辐射与海平面差不多。翌年，他乘坐的气球升空达5350米。 　　1914年，德国物理学家柯尔霍斯特将气球升至9300米，游离电流竟比海平面大50倍，确证了赫斯的判断。 确认宇宙线粒子径迹 　　1922年，美国科学家密立根和玻恩将这些实验拿到55000英尺的高空去做，为了解决这种辐射的来源，他们先是在高山顶上测量，后来又把装有验电器和电离器的不载人的气球升到高空来测量大气的电离作用。 　　1925年夏，密立根和助手们在加利福尼亚州群山中的Muir湖（缪尔湖）和Arrowhead湖（慈菇湖）的深处做实验，试图通过测量电离度与湖深的变化关系来确定宇宙射线的来源。 　　1925年11月9日，国家科学院在威斯康星州的Madison召开会议，密立根报告了测量的结果，他的结果表明，这些射线不是起源于地球或低层大气，而是从宇宙射来的，密立根同意当时大多数人的观点，认为宇宙射线是一种高频电磁辐射，其频率远高于X射线，是后者平均频率的1000倍。 　　1927年，斯科别利兹利用云雾室摄得宇宙射线痕迹的照片，根据径迹在云雾室里的微小偏转，第一次确认了宇宙线粒子径迹。 　　1927-1929年，荷兰物理学家克莱(J.Clay,1882-1955)在从荷兰到印度尼西亚爪哇岛的旅行中，发现了纬度效应的踪迹——靠近赤道处宇宙射线强度比较低。 　　博思（Walther Bothe，1891-1957）提出的符合计数法是在盖革计数器的基础上发展起来的，他与盖革考察了单个的康普顿散射，得到的结论是：能量和动量守恒定律对光子和电子之间的每一次碰撞都是有效的。从此，符合法在宇宙线的研究中得到了广泛应用。 　　1930年前后，宇宙线领域里的一些重要发现几乎都和符合法分不开。符合法的发明也为核物理、α射线和超声波等方面的研究提供了有效工具。博思与玻恩共同分享了1954年度诺贝尔物理学奖。 本质假说 　　1931年秋季，在罗马召开的国际核物理会议上， 意大利物理学家罗西在分析大量实验数据的基础上提出：从海平面观察到的宇宙线，本质上是由能量非常高的带电粒子组成；从强磁场使其偏转显示的结果来看，它们的能量大约高于几十个亿电子伏，远大于密立根的估计值。这些带电粒子也许是在大气层中，由宇宙辐射源初始的高能γ辐射产生的，但这种γ辐射（即光子）的能量远远高于密立根所说的"原子构造"时释放的能量。还有第二种可能，即宇宙线中观察到的高能粒子就是最初的宇宙辐射，或者至少是它有意义的一部分。 发现正电子 　　1929,赵忠尧先生（安德森的师兄）已看见了正负电子对产生的效应和湮灭，虽未得到科学界的确认，但给安德森后来的研究产生了很大的启发。 　　1932年，C.D.安德森发现了正电子，这是宇宙射线研究的第一项引人注目的成果。 　　1932年8月2日，安德森在照片中发现一条奇特的径迹，这条径迹和负电子有同样的偏转度，却又具相反的方向，显示这是某种带正电的粒子。 　　英国物理学家布莱克特从1921年起进行改进威尔逊云室照相技术以研究原子核的人工转变。1924年，他用云室照片首次成功地验证了人工轻核转变，即氦-14核俘获α粒子变为氧-17。1925年，他创制了云室照相受自动计数器控制的装置。布莱克特用他拍摄的正负电子成对产生过程的宇宙线径迹照片有力地证实了正电子的存在。 纬度效应 　　美国物理学家康普顿因发现康普顿效应于1927年获诺贝尔物理学奖。 　　1932年3月18日，康普顿开始了行程5万余英里，遍历五大洲，跨越赤道5次的远征，康普顿宣布宇宙线存在纬度效应，并认为宇宙射线是带电的高能粒子。 　　密立根在1932年也进行了范围较广泛的观测。 　　1932年12月底，美国物理学会在新泽西州大西洋城召开会议，康普顿在会议上报告：不同纬度处宇宙射线强度有明显不同，说明初始宇宙射线有带电粒子的特征，并提出了支持这种观点的三种实验。密立根在大西洋会议上宣读了内赫跨越赤道航行的测量结果，没有发现纬度效应。大多数物理学家已经开始转向承认康普顿的观点。 　　1935年11月11日，由两名勇敢的驾驶员Albert W. Stevens和Orvil A. Anderson驾驶探测者2号氦气球（右图）上升到官方记录的22066米的高空，收集了大气、宇宙线和其他数据。 发现缪子（轻子） 　　美国加利福尼亚理工学院的内德梅耶和安德森1934年提出假设：具有高度贯穿力的踪迹是质量在电子与质子之间的粒子的踪迹。当时误认为这就是传递核作用力的汤川介子，实际上张文裕先生在40年代发现缪原子（张辐射），已间接说明了它并不是核力介子，而是个比电子重的轻子。 　　1936年，他们在宇宙射线中发现了一种带单位正电荷或负电荷的粒子，质量为电子的206.77倍，人们以为它就是汤川秀树1930年预言的介子，称它为μ介子，后来发现这种粒子其实并不参与强相互作用，是一种轻子，所以改名为μ子。 广延空气簇射 　　1938年，奥格尔（Pierre Auger，1899-1993）发现了广延空气簇射。簇射是由原始高能粒子撞击产生的次级亚原子粒子。他发现簇射的能量高达 1015 电子伏特，即当时已知的一千万倍。 　　1946年，物理学家罗西与查才品领导的小组进行了首次空气簇射结构的实验。创建了首个探测空气簇射的相关探测器阵列。 发现奇异粒子 　　1946年，两位英国科学家罗彻斯特和巴特勒拍了许多云雾室事件的照片，在其中一张照片中，发现了些形状象字母V的径迹。这种V粒子现在叫作K0粒子，这就是后来被称为奇异粒子的一系列新粒子发现的开始。 早期的南极高空探测 1940年3月9日，一架比奇AD-17双翼飞机在海拔21050英尺高空飞越南极，为美国探险队测量宇宙线。 　　1947年8月16日，物理学家波默兰茨宣布放飞了4个携带宇宙线探测仪的气球，在至少127000英尺的高度越过了南极地区。 发现π介子 　　1947年，英国的鲍威尔等人创造了将核乳胶用气球送到高层空间去记录宇宙线的方法，在玻利维亚安第斯山地区从宇宙射线中发现了汤川秀树1930年所预言的π介子，质量约为电子质量273倍，它与原子核之间有很强的相互作用，称为带电π介子。 　　汤川秀树与鲍威尔分别于1949年和1950年获得诺贝尔物理学奖。 早期宇宙起源研究 　　1948 年，剑桥大学的天文学教授霍伊尔与邦迪（Hermann Bondi ）、戈尔德一起提出了"稳恒态宇宙理论"，该理论认为宇宙在大尺度上，包括任何时候和任何地方，都是一样的。 　　1948年，伽莫夫和阿尔法也提出了宇宙是从一个原始高密状态演化而来的理论，这一理论被称作αβγ理论，霍伊尔在1952 年把它称为"大爆炸理论"，但他认为宇宙不会在一声爆炸中产生。 　　1949年，费米发表宇宙射线理论，尝试以超新星爆发的磁力冲击波来解释宇宙射线的粒子加速机制，但未足以解释最高能宇宙射线的存在。 　　1962年，美国麻省理工学院的林斯里与同事，利用新墨西哥州火山农场10平方公里的空气簇射探测器组探测到一个能量估计为 1020 电子伏特的宇宙射线。 宇宙微波背景辐射 　　1965年，美国贝尔电话实验室的彭齐亚斯和威尔逊无意中发现了大爆炸理论预言的宇宙微波背景辐射。 　　1966年，格雷森、查才品和古兹文认为，高能宇宙线与微波背景辐射相互影响减小了能量，因此宇宙射线的能量应低于5 x 1019电子伏特。

 

 

 

 科学家寄语　　在本次讲座结束后，记者请谭有恒研究员给青少年朋友和有志于从事宇宙线研究的大学生们提些建议时，他说到，网络在给我们带来种种便利的同时，也带来了一些负面效应。虚拟现实，容易使人沉溺于其中，尤其是对青少年的身心健康造成危害；使一些青少年沉迷网络游戏，不能自拔，荒废学业。所以，对青少年来说，要合理运用互联网。学习之余，青少年可以看看那些科普网站，学习科普知识。
　　人生的道路、科研的道路，绝不是平坦的。困难、挫折甚至失败，都会发生。对于一个有成就的人来说，坚强的意志和毅力是成功的必要条件。一要选对路子，找准方向，不能退缩和放弃。二还需要从小打好基础，循序渐进，不可好高骛远。谭有恒说，郭沫若先生是学医的，后来之所以在文学、历史学、古文字、社会学等方面都有所成就，也是得益于从小打好的稳固基础。
　　对有志从事宇宙线研究的大学生而言，学科背景要求是核物理、粒子物理、天文学等；还有一部分是技术人才的需求，如数据处理，信息这方面。其次要做到的是对宇宙线的研究领域要有兴趣和比较充分的认识，知道这个领域的基础工作和重要进展是什么。知道宇宙线是什么回事？人们如何利用它？目前国际国内上有哪些研究？研究中遇到什么困难？最后还是要打好基础，坚持下去，才能成为一名专注于科学研究的人。

       8月15日上午，第32次国际宇宙线学术大会系列报告——赫斯报告会在高能所举行。会议由党委书记、副所长王焕玉主持，高能所谭有恒研究员作了题为《宇宙线与高山观测》的报告。

　　本次报告会由第32次国际宇宙线学术大会组委会、高能所主办，中国物理学会、石景山区科协、中国科普博览协办。出席报告会的嘉宾包括石景山区科协领导佟长江主席、靳晶副主席、朱洪秘书长，中国科普博览黎文编辑，以及高能所姜晓明副所长、张闯研究员、胡红波研究员等。石景山区科协佟长江主席代表协办方发言。石景山区学协会、街道科协、科普基地负责人及科技骨干教师，中国科普博览科技观光团、北京理工大学、中科院研究生院、高能所以及其他大专院校的学生和社会公众200余人参加了报告会，近150人参观了北京正负电子对撞机国家实验室。 　　
　　宇宙线是一种来自宇宙的高能粒子流，既是可以轰开原子核坚固堡垒的微观“炮弹”又携带着宇宙起源、天体演化、空间环境和太阳活动等宇观信息，是一种不请自来、普天同降的宝贵科学资源。自1912年赫斯乘热气球发现宇宙射线以来，研究宇宙线本身和萃取其携带信息的努力就从未中断过，中国科学家也做出了重要的贡献。

　　西藏羊八井国际宇宙线观测站创始人谭有恒研究员在报告中用宝贵的历史照片和精美的卫星图片介绍了一些历史上及现今仍活跃着的宇宙线高山站，并回顾了我国依托云南高山站开始宇宙线研究的历史，展望了高山宇宙线研究的将来。
　　报告会和实验室参观给公众留下深刻印象，精彩的科普报告让公众认识了“宇宙线”这个神秘的粒子，同时亲临研究高能粒子的大科学装置现场，非常震撼。报告会后不少公众主动留下来与和谭有恒研究员一直讨论到中午，展示了对科学浓厚的兴趣。
　　本次报告会的圆满成功是高能所科研计划处、粒子天体物理中心、大装置中心、所办等几个部门积极配合、团结协作的结果。高能所科技人员在进行国际交流的同时为社会公众提供了高端科普的平台，是非常值得推广和学习的。