新研究发现打破理论极限的高能粒子

2023年11月24日，在《科学》杂志上发表的一项研究中，研究人员宣称他们探测到了一起能量高到超乎想象的宇宙线事件。研究人员将这个宇宙线命名为“Amaterasu粒子”（Amaterasu是日本神话中的太阳女神——天照大神）。但令人费解的是，没有任何已知的来源能够产生如此高能量的粒子。

超越理论极限  

宇宙线是来自地球大气层外的亚原子粒子，比如质子（也就是氢的原子核）等，以接近光速的速度在空间中传播。

在讨论宇宙线的能量时，我们用到的最基本单位是电子伏特（eV），1电子伏特指的是当一个电子通过1伏特电位差时所获得的能量。宇宙线的能量范围很广，最常见的是能量最低的那些，比如来自太阳的宇宙线。当宇宙线的能量超过1 × 10¹⁸eV时，就可以被称为特高能宇宙线，这一能量比人造粒子加速器所能达到的最高能量还要高出100万倍。特高能宇宙线的起源通常被认为与宇宙中一些最极端的现象有关，比如伽马射线暴或者黑洞周围的相对论性喷流。

那么宇宙线的能量最高可以是多高呢？上世纪60年代，三位科学家提出了一个宇宙线能量的理论极限：从距离地球3亿光年以外发出的宇宙线，能量不应超过5 × 10¹⁹eV，这一数值被称为GZK极限（Greisen-Zatsepin-Kuzmin limit）。如果超过这一极限，宇宙线就会在穿越空间时与宇宙微波背景相互作用，从而在行进过程中不断损失能量。

宇宙微波背景：在大爆炸后约38万年，宇宙已经冷却到能够使电子和原子核形成稳定的原子。这就意味着宇宙中的光子不再与电子散射，从而能够自由地传播。这些光子至今仍然弥漫在宇宙之中，只不过它们的波长已经随着宇宙的膨胀被拉长到微波波段。（图/ESA/Planck Collaboration）

然而，在1991年，天文学家探测到了能量高达3.2 × 10²⁰eV的宇宙线，这显然超过了理论极限，意味着理论上它不应该来自其他遥远的星系，但银河系中又没有任何天体有能力产生如此高能的粒子。随后，这一令人震惊的高能粒子被命名为“Oh-My-God粒子”。如果想要在人造加速器产生如此高的能量，加速器的大小需要与水星轨道相当。现在，最新探测到的Amaterasu粒子的能量也超过了GZK极限，约为2.4 x 10²⁰eV。这是30多年来，继Oh-My-God粒子后探测到的最高能的宇宙线。那么，研究人员是如何捕捉到Amaterasu粒子的呢？

得天独厚的望远镜阵列  

当来自外太空的宇宙线粒子抵达地球时，会撞击地球的高层大气，并与大气中的氧和氮的原子核发生碰撞，引发次级粒子的级联。这些所谓的“大气簇射”包含了数十亿颗次级粒子。当它们散落在地球上时，覆盖的地表面积是巨大的，由10²⁰eV的宇宙线引发的大气簇射，可以覆盖地表宽达16平方千米的区域。

来自太空的高能粒子流穿过地球大气层。（图/Osaka Metropolitan University/L-INSIGHT， Kyoto University/Ryuunosuke Takeshige）

因此我们需要一个覆盖面积较大的探测器。位于美国犹他州西部沙漠的三角洲外的望远镜阵列（Telescope Array）就是这样一个实验。它由507个地面探测器组成，排列成一个正方形网格，覆盖了地表700平方千米的面积。

望远镜阵列位于大约1200米的高度，这是最大限度探测次级粒子的最佳海拔点。它的所在地有两个优势：一是干燥的空气，这一点至关重要，因为湿度会吸收探测所需的紫外线；另一点是这片区域有着非常优秀的黑暗天空，这也是必不可少的，因为光污染会干扰对宇宙线的探测。

2021年5月27日，望远镜阵列探测到了Amaterasu粒子。大气簇射触发了望远镜阵列西北区域的23个探测器，面积达48平方千米。通过研究探测到的大气簇射中的粒子，科学家可以重建原宇宙线的能量、质量和到达方向。

能量较低的宇宙线在磁场的影响下会曲折前行；但由于特高能宇宙线具有高动能，所以受磁场的影响也比较小。（图/Osaka Metropolitan University/Kyoto University/Ryuunosuke Takeshige）

我们知道，宇宙线是带电粒子，所以它们在抵达地球的途中，会受到银河系和河外磁场的影响而发生偏转。它们的传播路径有点像弹球机里的球，会在磁场中曲折前进。那些能量较低的宇宙线受到磁场的影响会比较强，所以它们的轨迹几乎是不可追踪的。但对于“Oh-My-God”和“Amaterasu”而言，它们受到磁场的影响很小，所以在空间中会相对平稳的行进。这意味着，顺着宇宙线的方向，天文学家应该能够追溯到它们的起源。

然而，当研究人员试图随着Amaterasu的轨迹分析其起源时，他们一无所获。因为他们计算出，Amaterasu的源头似乎是一个几乎没有星系存在的类似巨洞的区域。换句话说，他们没有发现任何足以产生这种高能量的天体事件。

未知的物理学？  

这是怎么回事呢？一种可能的解释是，研究人员用来预测磁场会如何影响宇宙线的路径的模型并不正确，可能需要进行一些调整。另一种可能性听起来更加令人期待，那就是特高能量宇宙线实际上是由未知的物理过程产生的，从而使它们传播的距离比过去认为的还要远得多。

研究人员正在升级望远镜阵列，使其灵敏度提高到之前的4倍。一旦完成，500个新的闪烁体探测器将在2900平方千米的范围内捕捉宇宙线。更大的覆盖范围意味着研究人员将有机会捕捉到更多罕见的特高能宇宙线，从而更精确地追踪它们的起源。

本文为科普中国·星空计划扶持作品

参考来源：

https://doi.org/10.1126%2Fscience.abo5095

本文来自微信公众号：原理 （ID：principia1687），作者：不二北斗，审核：罗会仟（中科院物理所研究员）