北京大学 政学者论文集（2003年） 极高能宇宙线的研究进展 极高能 .doc

极高能宇宙线的研究进展 Ultra High Energy Cosmic Rays 物理学院天文学系00级 吴飞 摘要 极高能宇宙线是能量高于的带电或中性的宇宙线粒子。其成分和形成机制的研究是宇宙线物理的主要内容之一，对高能天体物理、粒子物理和宇宙学等相关学科具有重要意义，而且很可能是揭示某些新的基本物理规律的突破点。围绕GZK疑难，重点综述了极高能宇宙线的观测和理论研究现状，对其研究前景作了展望。 Abstract The recent achievements of ultra-high energy cosmic ray (UHECR) are briefly reviewed. UHECRs are particles with energy above , which may play an important role in modern high-energy physics, particle physics and cosmology. However, the origin and the composition of UHECRs are still enigmas. Beginning with the GZK cut-off, we present the observations and theoretical models for the UHECR study. It is a common point that these energetic particles may be a window to new physics. 1 引 言 广义地讲，天体物理学是通过探测宇宙天体发射至地球的粒子来研究这些天体的物理特征。光子是被采用的粒子之一；除此之外，原则上还包括中微子、质子、粒子等若干宇宙线粒子（甚至引力波）。 极高能宇宙线(UHECR)，是指能量高于的带电或中性的宇宙线粒子。自上世纪60年代首次观测到能量高于100EeV ()的事件以来，宇宙线这一能区就一直令人们困惑不解[1～高于阈值能量时，遭遇CMB光子会产生介子，其结果是宇宙线能谱在处产生截断，这一效应即为著名的GZK效应。然而实验观测至今未明确地发现这一效应；相反，有迹象显示，已经观测到了越来越多的能量超过的事件。 在常规的加速机制中，原始宇宙线都是带电粒子，而射线和中微子是这些宇宙线在传播过程中的次级产物；因此，对极高能射线和中微子的天文观测实际上是对极高能宇宙线研究的重要补充[7,8]。有人甚至认为极高能宇宙线就是中微子流[9,10]，因为中微子不受GZK效应的约束。限于篇幅，本文不拟就其展开讨论。而有人则认为极高能宇宙线并非中微子，为解释GZK疑难，提出了大量模型；其中有些模型预言了未知新粒子的存在。若今后进一步的研究能证实这些新粒子的存在，必将具有重大意义，甚至可能突破目前的基本粒子物理标准模型。 当今极高能宇宙线研究有两个中心问题：(1)如何从宇宙线实验推测出它们是些什么粒子？(2)这种粒子起源的天体物理机制是什么？围绕这两个问题，本文以下各节将分别介绍极高能宇宙线的传播过程、观测进展以及有关的理论模型。最近关于极高能宇宙线的综述可参见文献[2～～ 2 极高能宇宙线的传播及其与物质的作用 高能宇宙线一般以质子、粒子等为主。因为正负电子在宇宙磁场中会辐射掉绝大部分能量，故极高能宇宙线不可能是电子。以下着重考虑原子核和光子在宇宙空间的传播过程。对带电量为的原子核，其Thomson截面，当它们在宇宙空间传播时，将会与其中的光子场和星际物质发生相互作用。尽管人们对银河系磁场结构的了解很有限，但可以推断其强度，因此在极高能区，银河系磁场对粒子的影响可忽略。影响粒子传播的主要作用是以下几种: (1)光致产生(photo-pion production)和GZK效应 作为宇宙大爆炸的产物，宇宙微波背景CMB 是理想的黑体辐射，其分布各向同性，光子密度 。以宇宙线质子为例，在能量的质子静止参考系中，CMB光子表现为高能射线，与质子作用产生介子，。质子的阈值能量为，其中 为典型的CMB光子能量。CMB光子与质子每经过一次作用，质子的能量减少10%～，其中为核子。在处，因光致产生和光致裂变导致的能损是相当的[2]。 (3)正负电子对产生(pair production) 河外可见光与红外辐射场的存在，使宇宙线质子或中子通过对产生造成能损，。与光致产生相比，对产生的作用截面较小，但其阈值能量仅 。计算表明，射线与CMB、红外/可见及射电波段光子背景的作用的衰减长度100Mpc。所产生的电子对会导致电磁级联。 宇宙线中的质子、核、光子在传播过程中损失了很大一部分能量。对于不同 图1 在各种背景辐射中光子、质子和铁核的衰减长度[1