宇宙线起源中物理学前沿问题
物理学前沿问题研究论文
物理学前沿问题研究论文摘要：从简单的自然规律出发，推导出了宇宙的诞生、万有引力、万有斥力的、物质的构造形式、原子核的放射性、低温超导现象、同位素等之间有着内在的必然的联系。
合理的解释了时间的不可逆性、电磁力的产生、太阳系的起源、原子构造、原子核放射性规律、重核元素构造等。
其中有许多的新观点和新思维，对拓宽视野，推进物理学的开展很有好处。
关键词：万有引力万有斥力宇宙低温超导原子构造同位素放射性太阳系的起源1．万有引力和万有斥力弹簧振子作往复振动，压缩时,弹簧产生一个向外伸展的弹力；拉长时,产生一个向内拉伸的弹力；平衡位置时,弹簧不产生弹力。
如同弹簧振子,对于宇宙,也具有类似的特性。
现代天文学发现,当今宇宙正好处在“拉伸”的状态,正在向着要收缩的趋势开展.既使宇宙今天仍在膨胀,总有一天,整个宇宙将会膨胀到终极点后再向内收缩.这就是为什么现在存在万有引力的原因。
根据对称性原理,宇宙在特定的条件下会产生万有斥力,当宇宙收缩且通过其平衡位置（即万有引力和万有斥力的临界点）时,宇宙中的所有物体就开场相互排斥.但由于宇宙的巨大惯性,仍将在其惯性的作用下抑制物质间的万有斥力继续收缩,直到所有宏观宇宙动能转换为物质间的万有斥力为止.这时宇宙成了原始宇宙蛋，这时宇宙的体积最小。
在这宇宙的整个宏观运动过程中,宇宙的运动动能和势能（引力势和斥力势）相互转换.当宇宙收缩到极点时,宇宙的引力势能释放殆尽,这时宇宙的万有斥力势能积蓄到最大值,物质间的万有排斥力到达顶峰,宇宙瞬时静止.紧接着宇宙又开场反方向将宇宙万有斥力势能逐步释放转变为宇宙动能,当到达平衡位置时,其斥力势能释放完毕,引力势能开场诞生并发挥作用.在引力势和斥力势的临界点（即平衡位置）的一瞬间,宇宙中的物质不受斥力和引力的作用,这时宇宙的膨胀速度到达最大值,通过平衡位置后,宇宙引力势能的逐渐积累,导致宇宙的膨胀速度缓慢降低.由于宇宙巨大的惯性作用,将继续膨胀,宇宙动能慢慢转变为宇宙引力势能,当宇宙动能完全转变为引力势能时,宇宙将停顿膨胀,这时宇宙膨胀体积到达最大,其引力势能的积累也到达最大,宇宙将有一个瞬间的静止.紧接着,宇宙又在强大的引力势能的作用下开场收缩,又将其积累的引力势能转变为宇宙动能.如此往复,以至无穷.在宇宙膨胀（或收缩）的不同时期,万有引力(或斥力)的大小是不相同的,且呈周期性变化.宇宙的膨胀（或收缩）的周期对人类来说大得惊人.人类历史与宇宙运动周期相比,仅相当于其中的一个极小极小极小的点.所以人类无法用实验或观察的方法进展验证。
物理学十大难题的研究进展
物理学十大难题的研究进展物理学是自然科学中最古老、最基础的学科，研究物质、能量、空间和时间的本质、性质、规律和相互关系，是人类认识宇宙、探索未知、创造文明不可或缺的重要学科。
在物理学的发展历程中，由于人类的认知能力和科技水平的不断提高，研究的难度也日益加大，很多关键问题仍然被我们所困扰。
本篇文章将带您了解物理学中的十大难题及其研究进展。
一、黑暗能量与黑暗物质黑暗能量与黑暗物质是当前宇宙学中最为重要的难题之一。
黑暗能量与黑暗物质在宇宙形成、星系形成、宇宙膨胀等方面具有至关重要的作用，然而我们对它们的了解却非常有限。
黑暗能量的存在被认为是推动宇宙加速膨胀的原因，占据了宇宙总能量的约70%；而黑暗物质则在引力作用下影响了宇宙结构的形成。
尽管科学家们利用各种手段进行了搜寻，但它们的本质仍然不为人知，这是当前物理学中最为棘手的问题之一。
二、量子引力量子引力理论是继相对论和量子力学之后，人类对自然的第三种描述。
它试图将引力作用与量子力学相结合，从而探索微观世界的基础原理及其相互作用，以及研究黑洞、宇宙起源等宏观现象背后的微观机制。
然而，至今为止，量子引力理论仍然没有得到确定的解答，这是物理学中最为深奥、最具挑战性的问题之一。
三、超导材料超导材料是一种特殊的物质，可以在极低温度下表现出特异的电性质，如零电阻、磁场排斥、电流不损耗等。
虽然个别超导材料的临界温度已经达到了临界温度，但目前仍然存在很多挑战性问题，如为何某些材料可以实现高温超导、如何有效地制备高品质的超导材料、如何解决超导失效等。
超导材料的深入研究不仅可以为量子计算、全息图像等科技提供支撑，也对未来的储能技术等方面具有极大的意义。
四、宇宙暴涨宇宙暴涨理论是当代宇宙学中最为流行的理论之一，它认为宇宙在它形成之初经历了一次短暂而极端的膨胀，这导致宇宙变得异常平坦和均匀，并且形成了宇宙射线背景辐射。
然而，对于暴涨的机制、过程、持续时间等，仍然存在很多疑问和争议。
天体物理学的前沿研究
天体物理学的前沿研究引言天体物理学是研究宇宙中各种天体及其物理性质的学科。
它涉及到广阔的领域，包括宇宙起源、星系结构、恒星演化、宇宙背景辐射等等。
近年来，随着科学技术的不断发展和观测能力的提高，天体物理学研究进入了一个前所未有的高速发展时期。
本文将介绍天体物理学的一些前沿研究领域。
研究领域1. 宇宙起源和演化宇宙起源和演化是天体物理学的核心议题之一。
宇宙大爆炸理论提供了宇宙起源的基本框架。
通过观测宇宙背景辐射，科学家们可以了解到宇宙早期的演化过程，比如宇宙的膨胀速度、密度分布等等。
此外，利用大型天文望远镜观测遥远的星系，科学家们可以研究宇宙的大尺度结构，揭示星系形成和演化的规律。
2. 恒星结构和演化恒星是宇宙中最基本的天体，它们的结构和演化对于理解宇宙的物理过程至关重要。
近年来，科学家们通过数值模拟和观测研究等手段，对恒星结构和演化进行了深入探究。
例如，研究超新星爆发可以帮助我们了解恒星的寿命和死亡方式；研究恒星的核聚变过程可以揭示恒星内部的物理机制。
3. 暗物质和暗能量暗物质和暗能量是当前天体物理学研究的热点问题之一。
观测数据表明，宇宙中的可见物质只占总质量的一小部分，大部分质量是由暗物质组成的。
暗物质是一种不与电磁波相互作用的物质，目前它的性质还不完全清楚。
暗能量是一种推动宇宙加速膨胀的力量，也是目前天体物理学中的一个谜团。
科学家们借助大型望远镜和其他观测设备，通过观测星系的运动和宇宙背景辐射的变化等，试图揭示暗物质和暗能量的本质。
4. 引力波引力波是爱因斯坦广义相对论的重要预言之一。
它是一种由质量运动产生的弯曲时空传播的波动。
2015年，科学家们首次观测到引力波，这是物理学史上的重大突破。
引力波观测不仅验证了广义相对论的正确性，还揭示了黑洞碰撞、中子星融合等一系列宇宙现象。
未来，引力波观测将成为天体物理学的重要手段之一。
5. 高能天体物理学高能天体物理学研究的是宇宙中高能天体和高能过程。
这类天体包括宇宙射线源、伽马射线爆发、中子星、黑洞等等。
宇宙弦理论：科学界的最前沿探索
1. 引言宇宙是人类永恒的探索对象之一。
自古以来，人们就对宇宙的起源、演化和结构产生了浓厚的兴趣。
在20世纪后半叶，科学家们提出了一种被称为宇宙弦理论的新理论，旨在解释宇宙的奥秘和未知。
本文将介绍宇宙弦理论的基本概念、背景和最新研究成果，以及它在科学界的重要地位。
2. 宇宙弦理论的基本概念宇宙弦理论是一种物理学理论，试图统一量子力学和相对论，并提供对宇宙中所有基本粒子和力的统一描述。
它将宇宙中的一切物质和能量视为由细小的弦所组成，这些弦可以振动，从而产生不同的粒子和力。
这个理论的核心观点是，宇宙并非由点粒子构成，而是由这些弦所组成的。
3. 宇宙弦理论的背景宇宙弦理论起源于20世纪70年代，当时物理学家发现标准模型无法解释宇宙的大爆炸起源和黑洞的行为。
为了解决这些问题，科学家们开始寻求一种更为统一的理论，并在此过程中发展了宇宙弦理论。
4. 宇宙弦理论的重要突破近年来，科学家们取得了一系列关于宇宙弦理论的重要突破。
其中之一是对时空维度的理解。
传统物理学认为宇宙存在三个空间维度和一个时间维度，而宇宙弦理论则提出了更高维度的存在，如超过四个的空间维度。
这种思想引发了对多维宇宙结构的探索。
5. 宇宙弦理论的挑战尽管宇宙弦理论有着许多激动人心的发现，但它仍然面临着一些挑战。
首先，由于理论的复杂性，目前无法进行实验验证。
其次，宇宙弦理论还没有找到一种完整和一致的数学形式，这使得科学家们在进一步推进理论时遇到了困难。
6. 宇宙弦理论的重要地位宇宙弦理论在科学界具有重要地位。
首先，它为解释宇宙的起源和演化提供了一个全新的框架。
其次，它为物理学家们提供了探索更高维度、超弦和量子重力等问题的途径。
最后，宇宙弦理论也对我们对宇宙的认识和人类的存在产生了深远影响。
7. 宇宙弦理论的未来展望尽管目前宇宙弦理论还面临许多挑战，但科学家们对其前景充满信心。
随着技术的进步和理论的发展，我们有望在未来几年内取得进一步的突破。
这将不仅推动我们对宇宙的认知，还可能带来一系列科学和技术上的重大突破。
天体物理学的前沿进展和挑战
天体物理学的前沿进展和挑战天体物理学是一门研究宇宙天体的运动、结构、物理特性和演化的学科，自“飞船时代”以来，这一领域一直得到了广泛发展和研究。
天体物理学的前沿进展和挑战对于深入探究宇宙谜团，理解宇宙演化和人类发展具有重要意义。
一、射电天文学的前沿进展和挑战射电天文学目前是天体物理学中最为活跃的领域之一，各类大型射电望远镜的建设和发展，极大促进了射电天文学的发展。
目前，中国28米射电望远镜（FAST）已经成功建成，成为全球最大的单口径射电望远镜。
FAST能够扫描非常遥远的空间，发现新的脉冲星和银河系的物质分布等，它的建设也引起了学界和公众相当大的关注。
然而，射电天文学面对的挑战也十分严峻。
天文学家需要寻找新的技术手段和方法，解决借助射电望远镜所获得数据的处理和采集等问题。
另外，射电空间天气和人类无线电信号干扰等也成为射电天文学面临的严重问题。
二、高能天体物理学的前沿进展和挑战高能天体物理学是一门研究极端天体和高能现象的学科，其中包括中子星、黑洞、宇宙线、伽马射线暴等一系列天体现象。
目前，伽马射线望远镜已经获得了突破性的进展，例如“大范围伽马射线望远镜”（LHAASO）项目的建设，能够检测到更加广阔的高能宇宙射线区域，从而为高能天体物理学的发展贡献出更多的数据。
然而，高能天体物理学依然面临着挑战。
在极端天体的探测和研究方面，研究者们需要突破理论和技术的难题，如何获得更加精准、丰富的数据等。
三、暗物质的前沿进展和挑战暗物质是未知的物质形态，它所构成的微弱引力场影响着整个宇宙星系的演化，正在成为天体物理学中的热点研究领域之一。
在暗物质的研究中，超散射声波探针（CCD）技术是一种新兴的研究方式，它能够通过灰色矮星的质量测量来揭示暗物质性质。
然而，暗物质的研究目前仍然处于空白状态，挑战也比较困难。
需要进行更加精确和多方面的数据处理和采集，同时还需要发展更先进的检测技术。
四、结语天体物理学前沿进展和挑战是一项极其重要的工作，凭借着不断地科学探索和技术创新，人类对宇宙的理解和认知也将越来越深入。
关于宇宙的科学问题
关于宇宙的科学问题追问无穷无尽的宇宙的奥秘，是一项永远不会结束的挑战。
从诞生以来，人类就一直在努力地寻找答案，发现秘密，并解释各种现象。
然而，随着科技的飞速发展，我们的视野和认知，正在逐渐拓宽，越来越多的问题已经得到了解答，而这还只是冰山一角。
在本文中，将探讨一些基础的关于宇宙的科学问题，以及向未来探索宇宙的一些前沿思路。
1. 宇宙的起源宇宙的起源是一个无法回答的科学问题，但科学家们已经做出了假设。
大多数科学家认为，宇宙诞生于约138亿年前的一次大爆炸。
这种理论被称为“大爆炸理论”，它解释了宇宙中的所有物质都是从一种无形的原初物质中诞生的，如今我们称之为“宇宙微波背景辐射”。
虽然我们对于宇宙诞生的形成还不能给出具体的解释，但科学家们已经开始了无数次的实验和观测，通过一些科学问题的处理，我们能够逐渐了解更多细节和知识。
2. 宇宙中的物质我们所生活的空间会被认为是宇宙的一个微小的角落。
然而，即使我们的角落，也包含了大量的宇宙物质。
除了常见的氢原子，其他物质还包括：氦、氧、重元素等等。
有意思的是，科学家们还在不断地发现新的物质。
例如，尘埃颗粒是宇宙中的一种常见物质,这些颗粒可以被追踪，从而获得真正的数据和学术观点。
3. 宇宙中的能量宇宙中其中一种重要的形态是能量。
宇宙能量既可以是电磁辐射，如太阳辐射能，也可以是介质动能，如风，也可以是由质能转换而来的能量，如在若干物质互相反应时放出的能量等。
宇宙的能量非常奇妙，无论是储量还是分配，都是人们研究的关键问题之一。
4. 宇宙中的黑暗物质黑暗物质是宇宙学中尚未被完全理解的一个概念。
简单地说，黑暗物质是一种没有被观测到的物质形式，这种物质组成了宇宙的大部分质量。
现代宇宙学中，大约有80%的宇宙质量都是黑暗物质，这个数字在第一次被提出的时候，赋予了宇宙学以一种新的角度。
可是，我们并不能直接观察到它们的存在，这就让科学家们更加困惑和好奇，此问题也成为现代宇宙研究的前沿之一。
物理学中的宇宙射线研究
物理学中的宇宙射线研究引言宇宙射线是指来自宇宙深处的高能带电粒子，以及并非来自太阳、行星、彗星、恒星等天体的高能辐射。
它们是宇宙中最为神秘的存在之一。
在物理学研究中，宇宙射线的研究一直是一项极具挑战性的任务。
本文将探讨物理学中宇宙射线的研究现状及其相关成果。
一、宇宙射线的来源目前，宇宙射线存在两种来源：一种是来自银河系内，另外一种则是来自银河系外的宇宙大爆炸。
1. 银河系内的宇宙射线银河系内的宇宙射线主要由太阳风、恒星活动、超新星爆炸、中子星碳氧核爆炸等过程产生。
其中，由超新星爆炸产生的宇宙射线所占比例最高。
2019 年，科学家发现了一颗质量约为太阳 70 倍的恒星「双残弧星」，它的爆炸释放出的宇宙射线比人类以往测量到的最大值还要多 100 倍。
2. 银河系外的宇宙射线银河系外的宇宙射线则是来自于宇宙的大爆炸。
在大爆炸之后，上亿年时间内，宇宙中会不断产生恒星和其它天体，它们经过丰富的物质和能量转换过程，最终产生高能带电粒子，即宇宙射线。
二、宇宙射线在空间中的传播宇宙射线在空间中的传播存在多种模式，其中主要包括磁场扰动、电荷交换、环境漂移和加速度等。
这些模式会对宇宙射线的传播速度、能量等产生较大影响。
我们的太阳系中的地球磁场可以防止大部分宇宙射线的到达，但是少量的较高能量宇宙射线则可穿透大气和磁场到达地面。
三、宇宙射线的探测方法1. 水切伦科夫探测器水切伦科夫(WCD)探测器是目前广泛应用于宇宙射线探测的仪器。
它通过对宇宙射线产生的雪崩效应进行测量，可以得到宇宙射线的能量和入射角度等信息。
2. 伽马射线望远镜伽马射线望远镜（Gamma-Ray Telescope）则可以用于探测银河系内超新星爆炸和活动星系的无线电波辐射等。
3. 阿加曼多(Auger)观测站阿加曼多(Auger)观测站是目前世界上最大的望远镜研究项目之一，它可以高精度地测量高能宇宙射线的能量和来源等信息。
四、近年宇宙射线的相关成果在近年来的研究中，科学家们已经通过对宇宙射线的研究，获得了大量的有意义的发现。
高能宇宙线的起源及其天体物理学意义
高能宇宙线的起源及其天体物理学意义高能宇宙线是指能量极高的粒子，它们以近乎光速的速度穿越宇宙。
这些粒子中的电子、质子和重离子都具有极高的能量，远超过地球上任何实验器件产生的能量。
它们的起源一直是天文学家和粒子物理学家关注的重要问题之一。
科学家们对高能宇宙线起源的研究表明，有两种主要的来源被广泛接受。
一种是太阳风，它指的是从太阳表面射出的带电粒子流。
太阳风中的带电粒子析放在太阳光球上或磁怒球层中产生，并被加速到极高能量，最终形成高能宇宙线。
另一种来源是超新星残骸。
超新星爆发时，释放出大量的能量，并加速周围的粒子，将它们推向极高能量。
这些加速过程可能与强磁场和激波相互作用有关。
高能宇宙线不仅仅是宇宙中的奇特现象，它们还揭示了一些天体物理学的关键问题。
首先，高能宇宙线的起源将有助于我们了解宇宙中的物质和能量分布。
通过研究高能宇宙线的方向、强度和性质，科学家可以揭示宇宙中的暗物质分布和高能宇宙线的演化历史。
这对我们理解宇宙的组成和演化过程非常重要。
其次，高能宇宙线的研究有助于我们深入了解宇宙中的磁场。
高能宇宙线在穿越宇宙时会与磁场相互作用，因此通过观测它们的行为，我们可以推断出宇宙中的磁场结构和强度。
了解宇宙磁场的性质将有助于我们理解星系演化、星系团的形成以及宇宙结构的形成和演化。
此外，高能宇宙线的研究还有助于解决宇宙射线晕的问题。
宇宙射线晕是指高能宇宙线的扩散效应，它是由于高能宇宙线在宇宙中受到分散和散射的结果。
通过研究高能宇宙线的晕效应，科学家可以推断出高能宇宙线在宇宙中的传播路径和速度，进一步了解宇宙射线的起源和演化。
最后，高能宇宙线的研究还可以揭示宇宙中的引力波。
引力波是爱因斯坦广义相对论预言的一种宇宙现象，它是由被加速的物体引起的空间弯曲和震荡。
高能宇宙线在穿越宇宙时也会受到引力波影响，因此通过观测高能宇宙线的特性，可以间接检测宇宙引力波的存在和性质，进一步验证广义相对论的理论。
综上所述，高能宇宙线的起源及其天体物理学意义非常重大。
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Ne 与
Ne 的丰度比是太阳系的 120 倍 , 这表明可大量产生
2016 年 4 月
第 61 卷
第 11 期
Байду номын сангаас
图 2 (网络版彩色)宇宙线能谱: 宇宙线全粒子谱来自于实验观测[16], Tibet-AS[17], KASCADE[18], Akeno[19], AGASA[20], HiResI[21], HiResII[22], AUGER[23], TA[24], IceCube[25]; 质子成分能谱观测来自于AMS01[26], AMS02[27], BESS[28], ATIC[29], CREAM[30], PAMELA[31], RunJob[32], CAPRICE[33], JACEE[34]; 轻核成分 (p+He) 观测数据来自于 ARGO-YBJ[35], ARGO-WFCTA[36]; 正负电子能谱测量来自于 AMS02[37], AMS01[38], PAMELA[39], HEAT[40], CAPRICE[41], ATIC[42], Fermi-LAT[43], HESS[44], BETS[45]; 反质子实验观测来自于PAMELA[46], AMS01[47], BESS[48,49], CAPRICE[50]; 全天区的伽玛射线观测来自于FermiLAT[51]; 大气中微子观测来自于IceCube[52,53], AMANDA[54], ANTARES[55], FREJUS[56]; 天体 中微子观测数据来自于文献[57,58] Figure 2 (Color online) The spectra of cosmic rays: the observations of all particle spectrum from PROTON[16], Tibet-AS[17], KASCADE[18], Akeno[19], AGASA[20], HiResI[21], HiResII[22], AUGER[23], TA[24], IceCube[25]; the observations of proton spectrum from AMS01[26], AMS02[27], BESS[28], ATIC[29], CREAM[30], PAMELA[31], RunJob[32], CAPRICE[33], JACEE[34]; the observation of light nuclear spectrum (p+He) from ARGO-YBJ[35], ARGO-WFCTA[36]; the observations of positron and electron spectrum from AMS02[37], AMS01[38], PAMELA[39], HEAT[40], CAPRICE[41], ATIC[42], Fermi-LAT[43], HESS[44], BETS[45]; the observation of antiproton from PAMELA[46], AMS01[47], BESS[48,49], CAPRICE[50]; the observation of allsky -rays from FermiLAT[51]; the observations of atmospheric neutrino from IceCube[52,53], AMANDA[54], ANTARES[55], FREJUS[56]; the observations of astrophysical objects from refs. [57,58]
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(包括冰下和水下 )两大类的实验手段 . 空间实验因有 效面积小 , 难以探测到随能量增加流量急剧下降的 高能宇宙线粒子 , 但又因位于大气层之上 , 空间实验 直接探测到的是原初的宇宙线 , 可得到原初成分的 准确信息 . 地面实验则通过探测宇宙线和大气相互 作用后产生的次级粒子 , 有关原初粒子种类的信息 需要借助于相互作用模型 , 因而具有较大的模型依 赖和不确定性 . 目前来讲 , 空间实验覆盖了 ~MeV 到 100 TeV 能区 , 地面实验覆盖 ~TeV 到 100 EeV 能区 , 其重叠的能区则为两类实验手段提供相互检验 . 空间探测的结果表明 , 宇宙线主要由亚原子粒 子构成, 含量最多的是质子(86%), 其次是氦核 (13%), 随 能 量 的 增 加 , 重 核 成 分 的 比 率 有 很 大 提 高 . 以碳元素的丰度来归一的话 , 那么宇宙线中从 碳到硅的元素丰度和太阳系的相比差不了多少 , 铁 的丰度也几乎一样 , 但宇宙线中碳之前的锂、铍、硼 元素的丰度以及铁之前的从氯到锰的元素丰度则远 高于太阳系里相应元素的丰度 ( 图 1). 此外 ,
1
宇宙线的发现、历史回顾和天体粒子物 理的兴起
1912 年 , 奥地利物理学家赫斯乘坐热气球上升
德森从宇宙线中发现了正电子 , 使得我们对于正、反 物质世界的认识向前跨越了极大的一步 ; 1937年 , 安 德森和尼德迈尔利用云雾室又在宇宙线中发现了 子 ; 1947年 , 鲍威尔在高空核乳胶中发现了汤川秀树 于 1934年预言的能传递强相互作用的 介子 . 作为联系微观粒子和宏观宇宙的桥梁 , 宇宙线 研究既对粒子物理也对天体物理做出了重要贡献. 一个突出的例子 , 就是对太阳中微子和超新星中微 子的观测的贡献 . 在长达 24 年的观测中 , 雷蒙德 · 戴 维斯发现了太阳中微子的缺失 , 为研究不同味道中 微子之间的振荡效应做出了卓越贡献 [2]; 小柴昌俊 所领导的神冈实验除了证实太阳中微子缺失 , 还发 现了超新星 SN1987A 爆炸时所发出的中微子 , 直接 验证了大质量恒星演化晚期形成中子星的理论 [3], 超 级神冈实验还于 20世纪末发现了大气中微子的振荡 . 随着研究领域的不断扩大和拓展 , 2013 年 10 月 , 国际纯物理和应用物理联合会 (IUPAP)正式批准将所
摘要
宇宙线是由奥地利物理学家赫斯在1912年高空气球实验中发现的. 此后, 人们在宇宙线的研究中发现了
众多的基本粒子及其相互作用规律, 中微子振荡的最早发现也来自太阳中微子和大气中微子实验. 迄今为止, 人 们所知道的最高能量的粒子也来自于宇宙线的观测. 宇宙线的起源、加速和传播是一个世纪科学问题, 从中诞生 了高能伽玛天文学、 高能中微子天文学和极高能宇宙线天文学. 目前, 人们已经发现了为数众多的电子加速源, 但 作为宇宙线成分中最为主要的核子, 其起源问题依然没有解决. 精确测量宇宙线核子的成分和能谱, 观测和研究 高能伽玛射线、 高能中微子及极高能宇宙线的产生地点和相关机制, 有助于解决宇宙线的起源问题. 此外, 这些研 究也是间接探测暗物质粒子, 研究宇宙演化和新物理学规律的重要手段. 关键词 宇宙线, 伽玛射线, 中微子
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图 1
(网络版彩色)太阳系和宇宙线各个元素丰度比较[8]. 其中太阳
系各个元素丰度来自于文献[9], 宇宙线丰度来自于文献[10], 质子和 氦核丰度来自于文献[11,12] Figure 1 (Color online) Comparison of Solar system and cosmic-ray elemental abundances[8]. Nuclear abundances of solar system are from ref. [9], Nuclear abundances of Cosmic Rays are from ref. [10], protons and helium are from refs. [11,12]
Ne 的 Wolf-Rayet(WR) 星应该显著贡献银河宇宙线
2
宇宙线的成分及能谱
宇宙线的探测主要有空间 ( 卫星和气球 ) 和地面
( 总量 ~2%, 重元素 ~25%)[13]. 考虑到 59Ni 只能通过电 子俘获的辐射衰变产生 59Co, 半衰期是 7.6×104年 , 而 人们在 GeV能区宇宙线中能观测到 59Co, 却没有测量 到 59Ni, 因此可以推断这些宇宙线的加速延迟了 105 年以上的时间 [14]. 众所周知 , 碳、氮、氧、硅和铁等 都是恒星演化过程中大量产生的原子核 , 它们在宇 宙线中的高丰度表明宇宙线很可能来源于恒星演化 终了时的环境 , 而碳 -氮 -氧、铁原子序数之前的高元 素丰度则表明了宇宙线在到达地球之前经历了一个 相当长的传播过程 , 在此过程中碳和铁等原初宇宙 线通过和星际空间的物质 , 主要是氢发生碰撞碎裂 成了较轻的元素 . 人们正是通过对诸如硼、碳元素的 比例测量以及对长寿命放射性同位素的丰度测量推 算出宇宙线在到达地球之前大约传播了一千万年的 时间 [15]. 除原子核外 , 宇宙线中还有正负电子、伽玛 射线、 中微子 (图 2)乃至其他未知的粒子 , 比如人们正 在寻找的暗物质粒子等 . 宇宙线粒子的能量主要分布在 109~1020 eV 量级 之间 . 在能量升高 11个量级的情况下 , 宇宙线的流强 下降了约 30 个量级 , 能谱基本表现为幂率谱 ( 图 2). 通过空间实验人们发现 , 直到 ~PeV 能区 , 不同核子 的宇宙线能谱都表现为幂率谱, 但不同核子的幂
到 5350 多米的高空 . 在 6 小时飞行当中 , 通过对电离 室中电流的测量 , 发现高空空气的电离率是地面的 数倍 , 从而说明这种空气中的电离现象是由地球外 边的 “ 辐射 ”( 后被称为宇宙线 ) 所致 . 值得一提的是 , 1913~1914 年 , 德国物理学家柯尔霍斯特重复了赫斯 的实验 , 1914年的气球飞行竟达到了 9000 m的海拔高 度 . 赫斯实验后来被人们认为是标志宇宙线发现的 实验 , 高海拔及空间实验也从此与宇宙线研究结下 了不解之缘 . 从宇宙线发现到 20 世纪 50 年代人们将第一台同 步加速器用于高能粒子物理实验之间的一个相当长 的时间里 , 人们在宇宙线的研究中发现了许多基本 粒子 , 带来了粒子物理学的飞速发展 [1] . 1932 年 , 安