（理论物理专业论文）超高能宇宙线相互作用及膝区物理的研究.pdf

自从1 9 5 8 年，莫斯科州立大学( m s u ) 组在反3 x 1 0 ”e v 能区发现大气 定酵射的簇射大小谱存在一膝样结构以来，“膝区”物理一直是宇宙线物理学家关 注的焦点。因为在这个能区( 1 0 ”一1 0 ”e v ) 的宇宙线总粒子谱存在一非平滑 的突起，通常一个平滑的能谱上有一非平滑的突起、或出现某种结构，常常联 系于新的粒子和新的物理过程。然而，我们往往宁愿相信这样的膝样结构是由 原初宇宙线成分变化引起的，于是很多时候在原初成分上做文章，通过改变成 分之间的比例，以图与实验数据相符合。另外，我们也在f e y n m a n 标度和k n o 标度是否成立上争论不休，即便是标度破坏，也坚信是某个常量在按一定规律 变化或者增加某一项。事实上，我们也知道，在不同的能区，宇宙线相互作用 的规律是不同的，何况是“膝区”这样的特殊能区。一。h ，、一l _ “ f 本工作旨在阐明一个道理：“膝区”有新的现象。所谓的新现象表现为，宇 l 宙线次级粒子集中在碎裂区附近，并且有能量集中现象：次级粒子横动量分配 减小，领头粒子效应明显。作者还认为，现有的标度函数在“膝区”已不再适 用，超高能宇宙线与空气核的第一次相互作用比现在所了解的要复杂得多0 我们在第一章介绍原初宇宙线总粒子谱的“膝”样结构，“膝区”物理的基 本问题及现状。第二章介绍现代高山乳胶室，着重讲述了k a n b a l a 乳胶室和p a m i r 乳胶室的结构和工作原理，以及在本工作中对宇宙线次级粒子在乳胶室中发展 的蒙特卡洛方案。第三章简单介绍了本文所采用的超高能宇宙线强子作用模型 c 0 m o g e n 模型( 一个强子作用的m i n i j e t m o d e l ，b e i j i n g ) 。 第四章介绍了作者的主要工作，( 通过蒙特卡洛模拟，对比p a m i r 、k a n b a l a 乳胶室的实验结果以及其他人的工能肯定了乳胶室实验中得到的簇射事例能 7 l ， 量集中现象的存在，并认为这是由于在超高能区，领头粒子效应非常明显造成 的，这种效应源于在“膝区”新现象的产生；同时也对碎裂区强子相互作用的 西南交通大掌掌位论文 性质作了分析。因为这个工作是对簇射事例的集体分析，考虑到轻核的成簇效 率远远高于重核的成簇效率( 前者是后者的1 0 倍左右) ，故本工作的结果与原 初宇宙线是否以重核为主没有关系，表明在这个能区，新的物理现象确实存在t1 第五章引用了c o s m o l e p 合作组和s o u d a n 合作组的工作，对地下u 子实 验所得到的多事例进行分析，几乎现在所有的模型都不能解释高多重数的 子事例，这种矛盾正体现了在超高能区，还有许多我们目前没有掌握的新的物 理现象。 r 【值得一提的是，我们现在的物理工作，已经很难有重大突破，这都源于实 验技术的滞后以及还未提出新的具有更为广泛适应性的理论。因此，重大基础 科学的研究，需要更为广泛的国际合作， 于认识物理世界，是物理工作者的责任， 也需要投入更多的人力和物力。致力 更需要全社会理解的支持妇一 j ，t 、j 理j 彦双：、l f 津k 、哼李袅，才目龟 善l 羊) , j 西南交通大掌掌位论文 a b s t r a c t s i n c et h ec o l l a b o r a t i o no ft h em o s c o ws t a t eu n i v e r s i t yd i s c o v e r e dt h a tt h e r ei sa s t r u c t u r ea s k n e e ”f o rt h es i z es p e c t r u mo ft h ea t m o s p h e r i cs h o w e ri n t h ee n e r g y a r o u n d e n 3 1 0 ”e v i n1 9 5 8 ，t h ep h y s i c a ls c i e n t i s t so fc o s m i cr a yh a v ef o c u s e d o nt h ep h y s i co f k n e e ”r e g i o nb e c a u s et h e r ei sau n s m o o t hp r o t u b e r a n c ei nt h ea l l p a r t i c l e s p e c t r u m o ft h e p r i m a r yc o s m i cr a y s g e n e r a l l y ，t h e s m o o t h e n e r g y s p e c t r u m h a sau n s m o o t h p r o t u b e r a n c eo r h a sac e r t a i ns t r u c t u r e ，w h i c hi m p l i e ss o m e n e w p a r t i c l e sa n ds o m e n e w p h y s i c a lp r o c e s s e s b u tw e w o u l dr a t h e rb e l i e v et h a tt h e s t r u c t u r ea s “k n e e ”h a sc o m ef r o mt h ec h a n g eo f t h ec o m p o n e n t so f p r i m a r yp a r t i c l e s ， s ow eh a v ea l w a y sd i s c u s s e do ft h ec o m p o n e n t so f p r i m a r yp a r t i c l e sb yc h a n g i n gt h e p r o p o r t i o nb e t w e e n t h ec o m p o n e n t si no r d e rt oa c c o r dw i t l lt h ed a t ao f e x p e r i m e n t i n a d d i t i o nt o ，w eh a v ea l s od i s p u t e dw h e t h e rf e y n m a ns c a l i n ga n dk n o s c a l i n ga r e t e n a b l e e v e ni ft h es c a l i n gi sb r o k e n ，w eh a v eb e l i e v e dt h a tac e r t a i nc o n s t a n t v a r i e t i e sa c c o r d i n gt oac e r t a i nr e g u l a ro ro b ci t e mi sa d d e dt ot h es c a l i n gf o r m u l a a s t h em a t t e ro f f a c t ，w ek n o w t h el a w so ft h ei n t e r a c t i o no fc o s m i cr a yi sd i f f e r e n ti n d i f f e r e n te n e r g ys p e c t r u m ，n o tt om e n t i o nt h es p e c i a le n e r g yr e g i o nl i k e “k n e e ” t h ep u r p o s eo ft h i sw o r kh a v ee l u c i d a t e da p r i n c i p l e t h a tt h e r ea r en e w p h e n o m e n ai n k n e e ”r e g i o n t h en e wp h e n o m e n a a r es h o w na sf e l l o w ： 1 t h es e c o n dp a r t i c l e sc e n t r a l i z ei nt h ef o r w a r dr e g i o na n dt h e r ei se n e r g y c o n c e n t r a t i o ni nh i g h e n e r g yh a d r o n g a m m af a m i l y 2 t h ed i s t r i b u t i o no ft r a n s v e r s em o m e n t u mo ft h es e c o n dp a r t i c l e sd e c r e a s e s a n dt h e r ei se v i d e n t l e a d i n gp a r t i c l e s ”e f f e c ti nt h i se n e r g yr e g i o n t h ea u t h o rh a sa l s oc o n s i d e r e dt h a tt h es c a l i n gf u n c t i o na tp r e s e n ti su n t e n a b l ei n “k n e e ”r e g i o na n d t h ef i r s ti n t e r a c t i o no f s u p e rh i g l le n e r g y c o s m i cr a yi na t m o s p h e r e i sm u c hm o r e c o m p l e xt h a n t h ek n o w l e d g et h a tw eh a v e g r a s p e d 西龠奢：通大攀攀位论文 w eh a v ei n t r o d u c e dt h es t r u c t u r ea s “k n e e ”o fa l l - p a r t i c l e s p e c t r u m o ft h e p r i m a r yc o s m i cr a yi nc h a p t e ro n e ，a n dw eh a v ea l s o i n t r o d u c e dt h ee l e m e n t a r y p r o b l e m s a n dt h es t a t u sq u oo ft h ep h y s i co f “k n e e r e g i o n i nc h a p t e rt w o ，w eh a v e i n t r o d u c e dt h em o u n t a i n - e m u l s i o n - c h a m b e r 敏p r e s e n t + w eh a v ec e n t r e do na c c o u n t f o rt h es t r u c t u r e sa n dw o r k i n gp r i n c i p l e so fk a n b a l aa n dp a m i re m u l s i o nc h a m b e r ， a n da l s oh a v et o l da b o u tt h em o n t ec a r l op r o j e c tt h a tt h es e c o n d a r i e so fc o s m i cr a y e x t e n di ne m u l s i o nc h a m b e r i nc h a p t e rt h r e e ，w eh a v ea l s oi n t r o d u c e dt h em o d e l b r i e f l y ，w h i c hw e h a v eu s e di nt h i sw o r k ，f o rt h ei n t e r a c t i o no f h a d r o ni ns u p e rh i 曲 e n e r g y c o s m i c r a y ， c h a p t e rf o u ri sa u t h o r sm a j o rw o r k w eh a v em a d em o n t e c a r l os i m u l a t i o n c o m p a r i n gw i 搬t h ee x p e r i m e n t a lc o n c l u s i o nt a k e nb yp a m i ra n dk a n b a l ae m u l s i o n c h a m b e ra n do t h e rw o r k s ，w h i c hm a k e su ss u r eo ft h ep h e n o m e n o no fe n e r g y c o n c e n t r a t i o ni nh i g he n e r g yf a m i l yw h i c ha r ea t t a i n e db yt h ee x p e r i m e n to f e m u l s i o n c h a m b e r 。w eh a v ec o n s i d e r e dt h a ti th a so r i g i n a t e df r o mt h eo b v i o u se f f e c to f l e a d i n gp a r t i c l e sb e c a u s es o m e n e w p h e n o m e n aa p p e a r i ns u p e r h i 曲e n e r g yr e g i o n w eh a v ea l s od i s c u s s e dt h en a t u r eo ff r a g m e n tr e g i o no ft h eh a d r o ni n t e r a c t i o n b e c a u s eo u rw o r k sh a v eh a dw h o l e a n a l y s i st ot h ef a m i l ya n d w eh a v ec o n s i d e r e dt h a t t h el i g h tn u c l e u sf o r m sf a m i l yi ne m u l s i o nc h a m b e rm o r ee f f i c i e n t l yt h a nt h eh e a v y n u c l e u s ( t h ef o r m e ri s 1 0t i m e st ot h el a t t e r ) ，t h ec o n c l u s i o n so ft h i sw o r kh a v e n o t h i n gt od ow i 氆t h ef a c t o r 碘4 a e t h e rt h el i g h tn u c l e u so rt h eh e a v y o l l ei sm a j o ri n c o m p o n e n to f p r i m a r y c o s m i c r a y ，w h i c h h a v em a n i f e s t e dt h eu n d o u b t e de x i s t e n c eo f n e w p h y s i c a lp h e n o m e n o n i nt h i se n e r g y r e g i o n i nc h a p t e rf i v e ，w eh a v eq u o t e dt h ew o r k so fc o s m o l e pc o l l a b o r a t i o na n d s o u d a nc o l l a b o r a t i o n t h ew o r k sh a v ea n a l y z e dt om u l t i - m u o ne v e n t st a k e nb y u n d e r g r o u n dm u o n e x p e r i m e n t s n e a r l ya l lt h em o d e l sc a l ln o te x p l a i nt h eh i g h e s t m u l t i p l i c i t y e v e n t s t h i sc o n t r a d i c t i o ni n d i c a t e s e x i s t i n gm a n yn e wp h y s i c a l 西南交通大掌学位论文 p h e n o m e n a w h i c hw eh a v en o tg r a s p e dp r e s e n t l yi ns u p e rh i g he n e r g yr e g i o n i ti sw o r t hs p e a k i n gt h a ti ti sv e r yd i f f i c u l tt h a tw eh a v em a d eg r e a td e v e l o p m e n t o f o u r p h y s i c a ls t u d y ，w h i c ho r i g i n a t e sf r o m t h ee x p e r i m e n t a l t e c h n o l o g yl a g g i n ga n d t h el a c ko fn e w t h e o r ya d a p t i n gt h el a wu n i v e r s a l l y s ot h es t u d yf o rt h es i g n i f i c a n t b a s i cs c i e n c en e e d sm o r ee x t e n s i v ei n t e r n a t i o n a lc o - o p e r a t i o na n dm o r em a n p o w e r a n dm a t e r i a lr e s o u r c e s d e d i c a t i o nt oc o g n i z i n gp h y s i c a lw o r l di st h ed u t yo ft h e p h y s i c a lw o r k e r s ，w h i c h a l s on e e d sm u c hm o r e c o m p r e h e n s i o na n ds u p p o r t 篱龠交i 蠢大学攀位论：起 引言 宇宙线怒采寄锻浮系系及灞外星系豹离熊粒予流，其成分媳括质子、氮核、- 。 铁核，盔到锥核的足乎元素髑期表上的所有粒子及少量，兜子。进入大气层之 蘸的宇宙线最荔能熬哥达3 1 0 2 0 e 矿，至今豹极惠熊字童线探测表醒，宇宙线还 没有“截叛”的越势，这对现在起源积加速机制的理论提出了镪藏。自从汉斯 h e s s ) 刹用气球实骏诞明字宙线的存农以来，人们从理论和实验上对宦进行 了大爨攘索和研究。在过去相当长的时间内，宇宙线作为唯一的商能粒子源为 粒子物理学的发震做漱了重大贞献：如讵电子、i l 子、“介予、k 介子和超子 的发琉。静往在加速物瑾的轿究越着蓬蒺作耀躯今天，它仍然对窿能物理豹磺 究超籍蓬妥的律稻。甜歪今嚣，大型龆速嚣豹能蠢嚣经嚣常嵩，铡翔费米实验 爨的t e v a t r o n 质了一反撮予对攘枫餍心系静能基已经达到如= 1 8 t e y ， 嚣，= 1 6 1 0 ”e v ，已经和低髓端的宇密线能爨相接，但是与已知的字塞线的最 离能繁( l o ”# 矿) 相毙，仍然楣蓑许多个数羹级。男崧，由于热速器寒流管道 躲限制，秀嚣速器实验般不能测摄很小发射热内豹次级粒子，放雉以获褥碎爱 区强予相嚣 乍髑的信惠。剿疆翦为止，只蠢极少数碎裂区中的物理薰被u a 4 组 秘u a 7 组测攫过( u a 4 ，1 9 8 7 ；u a 7 ，1 9 8 7 ) 。面宇宙线研究的是高能粒子与 静止靶孩的相互傍用，能够全甄的记录核碎裂区的次缀粒子，这就为人们对高 戆强予鞠踅作用碎裂鹾姆往的细致研究提供了条件。所| 2 乏都使在施速器已经达 到愆能区，从全灏了解高娆强子相互佟期的特征来看，将宇宙线实验的络暴与 加速器实验的结豢进行讶：较也是缀有意义的。 阔l 是超商能初级宇宙线能谱( 1 0 “e 矿娃t ) ，由圈可知，在这个能区，初 级宇宙线的强度服觚一个较大负幂指数的能谱分布，初级宇宙线流强涟能量静 上升蕊急捌下降，觚l o 撞e v 至l o 船# 矿初缀字蜜线，茭瀛强下降71 5 个蠹级。 这样，对超离能字密线粒子进行盏接测鐾是魄较爨难菸，一般逶过掇浏字密线 西南交通大掌掌位论文 粒子与大气核相互作用的次级产物来间接地对宇宙线进行观测。目前超高能宇 宙线观测的主要手段有： 大面积高山乳胶室实验，主要通过观测高能宇宙线粒子与空气核相互作 用的次级产物的特性，即通过测量簇射轴心区高能电子、光子及一部分 强子的能流及横向分布，来研究l o ”一1 0 ”e v 能区核相互作用的规律。 广延大气簇射( e a s ) 实验，观测能区大于l o ”e y ，测量簇射中的荷电 粒子( 主要是电子) 的时间和空间分布。 地下u 子实验，主要探测e a s 中的u 子：方向、多重度和横向分布。 由于在1 0 “p 矿以上能区宇宙线流强已经很弱，所以超高能宇宙线探测器应 做得尽可能简单以利于扩大规模，并要求探测器能够长期稳定的工作，以积累 尽可能多的数据。另外，由于次级宇宙线粒子在大气中有一个发展和衰减的过 程，所以探测器要工作在合适的海拔高度( 4 0 0 0 米到5 0 0 0 米左右最好) 。 高山乳胶室能给出加速器实验难以得到的高能强子相互作用碎裂区的信 息，可以观测广延大气簇射实验得不到的e a s 中心部分的细致结构。自高山乳 胶室投入使用以来，取得了一系列重要成果，如原初宇宙线成分、能谱研究， 高能宇宙线相互作用，探索相互作用中新的物理现象，找到了一些新奇事例， 如高多重数的双环事例、远距双心事例、多心结构低空超大簇事例( 这三种事 2 西南交通大掌学位论文 t 譬 ； x 兽 看 e ( e ” 横坐标是初级宇宙宇宙线能量( e v p a r t i c l e ) ，纵坐标是微分流强 ( m 一2 5 1 盯一1 g e v l5 ) 图 1 例表明高能强子相互作用可以产生多个大横动量成分) 、t i t a n 事例( 高能簇射 在外围，低能簇射集中在中心) 、c e n t a u r o 事例( 富强子少a 事例) 、c h i r o n 事 例( 黑团里面有小黑点，为小横动量事例) 、m i n i - - - - - c l u s t e r 事例( 小集团事例) 、 h a l o 型事例( 晕事例) 等。 然而，在许多基本问题上，各个实验组分歧很大。长期以来，超高能初级 宇宙线化学成分和碎裂区f e y n m a ns e a l i n g 是否成立一直是人们争论的焦点， 到目前为止，各实验组也没有取得一致结论。比如乳胶室实验的结果指出：如 果初级宇宙线成分从l o ”e v ( 这个能量以前初级字宙线成分，实验上已直接测 西南交通大掌学位论文 量) 到超高能区变化不大，且f e y n m a ns c a l i n g 近似成立，则实验上所获得的 的，簇事例流强要比模拟计算的预言值低3 倍左右，这似乎表明超高能区核级 联过程存在着快速衰减的现象。富士( f u j i ) 和甘巴拉山( k a n b a l a ) 实验组基 于对y 簇事例流强等可观测量的分析，认为初级宇宙线在1 0 ”p 矿附近能区以重 核为主( 铁核占3 0 一4 0 ，质子仅占1 5 2 0 ) 【j r r e ne ta 1 ，1 9 8 8 ，碎裂区 o 0 0 5 ) f e y n m a ns c a l i n g 近似成立。但帕米尔( p a m i r ) 实验组认为，初级宇 宙线成分从1 0 “p 矿到超高能区基本保持不变，碎裂区f e y n m a ns c a l i n g 破坏同样 能解释超高能区核级联过程的快速衰减现象 a m d u n a e v s k y , 1 9 8 6 ；a s b o r i s o v e ta 1 ，1 9 8 4 ；a a c h l i l i n g a r i a ne ta 1 ，1 9 8 8 。可见，对于初级宇宙线成分的组成及 碎裂区f e y n m a ns c a l i n g 是否破坏，各实验组之间存在着非常明显的分歧。 这些分歧有实验方面的原因，主要是各实验小组采用了不同的实验装置和 不同的数据处理方法，并且实验的精度和实验数据的统计量不足，不能对模型 作出严格的检验。从理论上讲，在加速器能区所总结出来的强子相互作用许多 经验规律，如作用截面随l n 2s 上升，中心区次级粒子赝快度分布的平台随i n s 上升，次级粒子平均荷电多重数随l n 2 s 上升，中心区次级粒子平均横动量随能 量上升，等等。迄今为止，加速器物理实验证明了基于qcd 的标准模型的成 功。但在超高能区，现在的高山乳胶室实验、地下u 予实验在许多方面对标准 模型提出了严骏的挑战，如乳胶室实验所观察到的簇事例的能量集中现象及许 多的反常事例，地下p 子实验所观测到的多u 事例，等等，本工作将对其中的 一些现象作深入的分析，在所有模型都无能为力的现实中，认为在超高能区， 应该存在超出标准模型的新的物理过程。 高山乳胶室实验的另一个事实不得不引起我们的足够重视，那就是为什么 在所测得的这些簇事例中，较高能量的次级粒子q l o t e 矿) 会占有如此高比例， 而且几乎所有的模型都不能附合它，这似乎已经表明，超高能强子相互作用并 非如我们所说的有快速衰减的现象，而应该是衰减的比较慢。还有簇事例平均 表现为能量集中、平均 分布比模型所预期的要小很多，对于这些现象我们 4 西南交通大学掌位论文 试图用较大比例的原初y 来解释，或尽量提高强子与空气核相互作用的非弹性 系数，并声称超高能宇宙线在大气衰减的很快，但结果证明并不好。多u 事例 的出现，出于慎重，我们也宁愿说重核应占有较大的比重，很少对理论基础提 出质疑。 由于讨论的是簇事例的集体行为，作者主要对原初质子、氮核进行了模拟， 模拟中采用的是北京组的c o m o g e n m i n i j e t 模型，并与k a n b a l a 、p a m i r 的 结果以及其它工作采用h d s q i 、u a 5 模型的结果进行比较，对大簇事例的能量 集中现象、平均r 分布、碎裂区强子相互作用的特性等方面进行分析。作者同 时也对地下p 子实验所观测到的多u 现象进行了介绍，以对“膝区”宇宙线相 互作用的特性等方面进行讨论。 西南交通大掌掌位论文 c h a p t e ，1第一章 “膝”区物理简介 1 1 宇宙线能谱的“膝” 1 9 5 8 年，莫斯科州立大学( m s u ) 组在e 0 3 1 0 ”e v 能区发现大气簇射 的簇射大小谱存在一膝样结构，自此以后，“膝”的成因直是宇宙线物理学家 关住的一个焦点。所谓“膝”区一般指1 0 ”一1 0 ”6 v 的能区，即在1 0 “e v 以 上宇宙线总粒子谱服从一个负幂律( e ，_ r 0 ) 从1 0 ”e v 到1 0 ”e v ， 幂指数约为2 6 ；在1 0 ”e v 至1 0 ”e v 能区，能谱变陡，在3 x1 0 “e v ，幂指数 增为3 0 。能谱变陡的这个能区，被称为“膝”区。在高于3 1 0 ”e v 能区，能 谱又变平，这个区域称为“踝区”。如图1 1 所示。 1 3 乙 ：- r e e u 错 图1 1 原初宇宙线总粒子能谱 6 西南交通大掌掌位论文 通常，一个平滑的能谱上有一个突起，或出现某种结构，常常联系于新的 粒子或新的物理过程，具有特殊的物理意义。对于宇宙线能谱的“膝”，人们也 预期它会联系于特殊的物理原因，或重要的物理过程。这正是几十年来，“膝” 区现象和“膝”的成因，一直是高能宇宙线研究领域人们关注的一个热点的重 要原因。 我们这里所讨论的宇宙线能谱，不论是包括所有宇宙线荷电粒子的“总粒 子谱”，或单个荷电成分的粒子能谱，都是指“初级宇宙线”的能谱，即针对到 达地球大气层外的宇宙线粒子而言。宇宙线进入大气层会与空气核发生多次相 互作用而发生变化，因此，宇宙线能谱的测量必须在大气层以外的空间进行。 但由于宇宙线强度随能量升高而徒降，高能宇宙线的测量需要接收度越来越大 的探测器，受空间运载能力的限制，高能宇宙线的直接测量遇到了难以克服的 困难。目前直接测量宇宙线的总粒子能谱只达到1 0 “e v ，这是前苏联用卫星 量能器独家测得的。在这一方面，1 9 7 1 年之后不再有进展。直接测量各种宇宙 线核成分的能谱，近二十年一直利用高空搭载乳胶室进行着，统计量在缓慢地 积累之中。目前，直接测量宇宙线核成分的能谱所达到的最高能区是由j a c e e ( j a p a n - - a m e r i c a nc o i l a b o r a t i o ne m u l s i o ne x p e r i m e n t ) 组获得的，他们通过高 空气球携带的乳胶室，测得了能量上限为5 1 0 ”c v 的宇宙线原初质子的能谱。 我们现在所讨论的是1 0 “e v 以上，直到1 0 2 0e v 的宇宙线能谱，都不是直 接测量得到的，都是在地面上利用不同的探测设备对进入大气层的宇宙线所引 发的广延大气簇射( e a s ) 作间接测量而获得的。如高山乳胶室、广延大气簇 射阵列、地下p 子探测器所探测到的不再是原初宇宙线粒子，而是它们与大气 作用引发的级联过程的次级产物。虽然用这种间接测量来推导宇宙线总粒子谱 的时候，对所使用的模型有一定的依赖，但都观测到“膝”的存在。 1 2 “膝”区原初宇宙线成分 西南交通大掌学位论文 由于地面探测器只能记录到初级宇宙线与空气核多次作用的间接结果，因 此必须利用个强子作用模型模拟宇宙线在大气中的传播。然后从比较模拟 和实验结果的差别来判断模型的正确与否并做出结论。 然而，超高能初级宇宙线( 如“膝”区初级宇宙线) 成分缺乏足够准确的 直接观测结果，而初级宇宙线成分又对模拟结果极为敏感，因此强子作用模型 和初级宇宙线成分就纠缠在一起，难以分别独立下结论。 1 9 7 9 年m a n l a n d 组用碎裂区具有f e y m a ns c a l i n g 性质的强子模型( 即强 子能谱f ( x ) 不随质心系能量s 变化，x = 2 蜀4 s ，异为次级强子在质心系的纵 向动量) ，分析广延大气簇射( e a s ) 中迟到的高能强子数据。首先指出，只有 铁核为主的初级宇宙线成分( 即所谓的m a y l a n d 成分) 才能成功解释他们的数 据：富士( f u j i ) 和甘巴拉山( k a n b a l a ) 乳胶室合作组在分析他们乳胶室内的 ，簇现象后，也得到类似的结论。最近，莫斯科大学组和e a s t o p 实验组通过 分析他们的实验数据，也认为“膝”区原初宇宙线成分有变重的趋势；另外， c h a c a l t a y a 实验通过契仑可夫( ce r e n k o v ) 光的测量分析也表明“膝”区以 上原初成分应以重核为主。 但有的e a s 实验从分析簇射的发展，以及一些地下p 子实验在分析p 子多 重度的分布，如凇c r 0 地下u 子实验，却得出“膝”区原初成分以质子( 或轻 核) 为主的结论。d i c e 的契仑可夫( ce r e n k o v ) 实验也表明，1 5 p e v 以后原初 成分变轻，更趋向于质子和氦为主的初级成分。 另外，也有实验表明，“膝”区原初宇宙线成分不变。如h a v e r a hp a c k 组 实验，利用u 子分布进行原初成分的分辨，认为在“膝”区以下，原初成分随 能量的增加由重变轻，但在3 l o ”e v 1 0 伸e v 能区，原初成分不变；h e g a r a 实验利用c r t ( c o s m i cr a yt r a c k i n g ) 探测器和大气簇射阵列，测量u 子的角分 布，认为原初能量在3 1 0 2 t e v - 1 1 0 4 t e v 范围内的事例，原初成分的组成在 误差范围内保持不变，但也可能缓慢变重。p a m i r 组通过分析乳胶室中记录到 的质子和其它原子核簇的份额，认为与一1 0 6 g 叠矿处的“正常”初级宇宙线成分一 致。 产生如此严重分歧的主要原因有两个： ( 1 ) 实验的统计性不足，许多物理观测量还无足够的精确度，甚至非常 粗造，不能对模型做严格的检验。 8 西南交通大掌掌位论文 ( 2 ) 模拟分析中使用的多强子产生的m o n t ec a r l o 产生器的差别。 超高能强子碰撞的产物，在对撞机能区，缺乏碎裂区粒子的信息，即使假 设碎裂区粒子能谱具有费曼标度无关性( f e y n m a ns c a l i n g ) 的性质，非弹性度 的变化、碰撞截面的上升、靶核效应等参数仍然有较大的不确定性。上述分歧 正说明这些参数不同的数值组合，可以在某些方面给出相同的结果，但却不能 在根本上解决问题。 1 3 “膝”的成因 实验上发现宇宙线能谱的“膝”已经四十多年了，对其成因已经有大量的 讨论，提出了许多看法。这些看法可归结为以下几点： 1 某种加速机制的终止： 2 某种约束机制的失效； 3 新成分的加入； 4 某种闽效应的出现 前三点联系于宇宙线的起源、加速和传播，是宇宙线物理的基本问题，也 是天体物理的基本问题；后一点联系于高能粒子的相互作用，即超过加速器能 区，强子碰撞极端赣前区的作用性质，具有重要的粒子物理意义。上面四点还 可归纳为宇宙线成分的变化以及高能粒子相互作用性质的变化。 1 3 1 宇宙线成分的变化 我们知道，“膝”前区的大部分宇宙线粒予来源于银河系超新星爆发对星际 介质中的核粒子的激波加速，并在银河系内经历了长时间的扩散传播。“膝”的 成因被解释为：超新星爆发激波加速机制最大能量( e m a x ) 的限制，以及银河 系中磁场对高能宇宙线约束的失效。 9 西南交通大掌掌位论文 根据这种加速机制，十年一次的银河系超新星爆发，爆发的抛射物质扫起 星际介质向外扩展并驱动一个激波，使星际介质中的粒子受到加速，对激波前 沿作平面近似，按照一级费米加速机制，在般的物理假设下，可算出这一类 激波加速能产生的最大能量( e m a x ) 约为3 0 z t e v ( z 为被加速粒子的电荷) 。这 一e m a x 的值比“膝”区能量要低一些，但如考虑到其它因素。例如：当星际空 间磁场有一个垂直于激波传播方向的分量，e m a x 可提高一个量级：如果超新 星爆发前，周围环境里已经形成了恒星风，e m a x 可以提高一至二个量级；等等。 所以超新星爆发的激波加速机制，原则上可以将星际介质中的各种原子核加速 到“膝”区甚至更高一些的能量。超新星爆发的激波加速机制表明，宇宙线粒 子所能获得的最高能量正比于原初粒子的电荷，“膝”区宇宙线成分将以重核为 主。 根据银河宇宙线次级核与初级核的丰度比以及宇宙线中不稳定同位素”e 与稳定同位核9 b 的实测丰度比，宇宙线必定受到银河磁场的约束，长时间在其 中回转扩散。按照宇宙线漏箱模型，带电宇宙线粒子在银河磁场的约束下，在 银河系内作回旋运动，回旋运动的l a m o u r 半径为： r = 芋蠢 ( c 聊) z 为宇宙线粒子的电荷，p 为宇宙线粒子的动量( e v c ) ，h 为银河磁场的平均 强度( 单位为：t ) 。由此式可知，随着能量的上升，质子的l a m o u r 半径将首 先超过银盘的半径，从而摆脱银河磁场的约束而发生质子自银河系的泄漏，使 质子谱在能量e 。处发生拐折，其它核子的能谱也相继在能量z e 处发生拐折。 因此，随着能量的增加，宇宙线的原初总谱中重核成分将会增加，原初宇宙线 的平均质量将会变重。 在上述宇宙线粒子加速和传播的物理框架下，“膝”区应以重核为主，同时， 宇宙线总粒子谱的“膝”区应该呈现平滑变陡，即应该是羊八井型的总粒子谱 m a m e n o m o r ie ta 1 ，a p j 4 6 1 ( 1 9 9 6 ) 4 0 8 。如果宇宙线总粒子谱在“膝” l o 西南交通大掌掌位论文 区某个能量尖锐变陡，或在“膝”区有复杂结构，一般认为，此时需要在上述 图象的基础上，再加入一种新的宇宙线源。这一个方面已经提出了许多设想， 现举二个例子： p r o t h e r o e 和s z a b o 假设在河外的活动星系核( a g n ) 中心有一个重黑洞， 周围的物质被吸积落入黑洞中，引力能转化为激波，质子和其它核在激波中受 到一级费米加速。结果是，被加速的质子其能量峰值在“膝”区，e m a x 可达 1 0 ”一1 0 ”e v 。被加速的其它核因在加速区外围密积的光子场中发生光致碎裂， 而不能逸出。因此，按这个图象，来自a g n 的质子可以到达银河系，在“膝” 区形成能谱的非平滑突起；在“膝”前区，随着能量的增加，由于铁核能谱变 平，宇宙线的平均成分先是变重，由于a g n 质子成分的加入，再变轻：到“膝” 区，宇宙线成分以质子为主。 圉1 2 蝌n ? 嗍 e r l y k i n 和w o l f e n d a l e 分析了许多家大气簇射实验测得的。谱，认为在 寸 田，啊 n n “ 西南交通大学学位论文 谱中普遍存在复杂结构，即“平一陡一平一陡平( f s f s f ) ”，因而“膝”区能 谱应该存在两个“膝”( 图1 2 ) 。他们认为这是离太阳系不远处的一颗超新星 的贡献，并根据b e r e z h k o 等提出的超新星激波加速宇宙线模型来解释“膝”的 成因。这个模型的特点是：e m a x 可达4 0 0 z t e v 或更高，被加速粒子的能谱到达 e m a x 有尖锐的截止，截止之前有鼓包。这些宇宙线包括各种核，它们传播的路 程较短，未经充分扩散，银河磁场的约束机制未对它们充分发挥作用。按照这 个图象，在“膝”前区，随着能量增加，宇宙线成分应该变重，“膝”区应以重 核为主，第一个“膝”主要由c 、n 、0 贡献，第二个“膝主要由铁核贡献。 1 3 2 高能粒子作用性质的变化 如果在某个阈能之上，粒子相互作用的性质发生了显著变化，例如强子作 用变弱了( 非弹性度减小) ，它引起的簇射也比较小，此时按常规方法由簇射的 大小和横向扩展定初能就会偏低；又如存在某种长飞行成分，它使簇射拉长了 ( 簇射发展变慢) ，在定初能时也会偏低。所以，有的实验组认为，宇宙线本无 “膝”，只是由于能量高于某个阈值时，强子的作用性质发生了变化，使簇射发 展变慢了，而在对实验结果进行分析时，并未计入这一未知效应，将簇射能量 定低了，人为地产生了“膝”。 1 2 西南交通大掌掌位论文 i 羽1 3p a l n i 。厚铅乳胶室中强子作用的起始点分布，直线为指数分布 有许多实验证据可以说明高能粒子相互作用性质发生了变化，如印度k o l a r 金矿的地下实验探测到的反常事例，被认为是宇宙线中存在一种中性的重质量 的弱作用粒子c o ，c o 与其它物质发生弱作用；帕米尔( p 鲫i r ) 高山厚乳胶室 也观测到弱衰减成分( 图1 3 ) ，他们的解释是：粲粒子的产生，或3 0 吸收长度 高达2 0 0 0 9 c m 2 的弱吸收强子的存在；天山量能器组观测到长飞行成分，如图 1 4 所示，随着强子能量的上升，强子能流的衰减长度变长，图l - 5 给出了近 轴强子簇簇射的情况，衰减长度呈现出二个峰，他们认为是由于高能粒子衰变 的l o r e n t z 延长，使强子级联看起来拖长了，他们还认为l e a d i n g 粒子带走了 更多的能量：利用天山量能器及乳胶室观察2 x 1 0 ”e v 到4 l o “e v 的大气簇射 中的高能光子，发现光子能量e ，与簇射初能晶之比的分布随玩增大而变陡( 图 1 6 ) ，这被认为是“膝”区能量下强子作用的碎裂区费曼标度不变性破坏的证 据。 西南交通大掌学位论文 呱) 腰 6 0 0 1 0 1 0 0 e ( r e v ) 图1 4 衰减长度与簇射能量的关系 o 1 0 0 e h ( 矗叼 i 药1 5 天山量能器靠近轴心的强子簇射， 其能流衰减长度与簇射能量的关系 l 西龠交通大掌学位论文 t 氐拓- 、n e s 匆走至左 毛( 丁i ”厅( 知诊 2 x ，d ， i ，9 ，d 占6x ，o ， f 、| tf o j 3x ，d p 4 ，_ 尬4 图1 6 利用天山量能器观测得到的大气簇射中高能 光子的能量与所对应的原初能量之比的分布 2 口， i 7 0 3 s 鼍 年j 4 7 - 1 7 暑7 7 总而言之，到目前为止，“膝”区的成因还没有一个肯定的、统一的说法， “膝”区的出现表明了超高能宇宙线粒子的加速、传播机制或相互作用性质的 变化，精确的测定“膝”区的形状及其组成是解决问题的关键。 1 4 “膝”区