超高能宇宙射線是宇宙中能量最高，也最稀有的粒子流，同時也是最神秘的射線。班傑明·史丘斯（Benjamin Skuse）告訴我們宇宙射線的秘密是如何不停檢驗著我們對於高能物理學的理解水平。
在遙遠的宇宙中的某個地方，有某種物體不停創造著包含超高能量的粒子。不管它是什麼、來自哪裡，它可能是任何能量為1018~1020eV的粒子。已知歐洲核子研究中心的大型強子對撞機能產生最高能量為1013eV的粒子，而超高能宇宙射線的能量比地球上人類使用粒子加速器所能產生的要高百萬倍。簡而言之，超高能宇宙射線是有史以來人類發現的宇宙中能量最高的粒子。（eV：物理學常量，能量單位，電子伏特）
超高能宇宙射線簡稱UHECRs，最早在1962年發現。它是普通宇宙射線的超能同類物，50多年前，奧地利科學家維克多·赫斯通過一連串乘坐熱氣球升空試驗發現了它的存在。儘管人們對普通宇宙射線了解頗深，但超高能宇宙射線來自哪裡，因何物加速散射仍然成謎。
幸好有些超高能宇宙射線偶爾會降臨地球。進入大氣層後，超高能宇宙射線會與空氣中的分子碰撞，後者會分解為其它粒子，產生瀑布效應，衝向大地。這樣一來大量的粒子會擴散到地球表面五公裡的範圍。在阿根廷的皮埃爾·俄歇天文臺和美國猶他州的望遠鏡陣列的幫助下，科學家觀測到這些粒子，並獲取關於超高能宇宙射線的信息。
觀望等待：皮埃爾·俄歇天文臺1660個探測器之一，其中包含著12,000升水，用於捕捉難以尋找的超高能宇宙射線。（圖源：皮埃爾·俄歇天文臺）
這兩處都建有地面探測器陣列，皮埃爾·俄歇天文臺有1660臺裝有12,000升水的探測器，散布在3,000平方千米的地域。瀑布效應中的粒子飛入探測器中會產生電磁衝擊波，然後探測器內的光探測管捕捉到電磁衝擊波信號。研究者就可以將這些信息和觀測數據一併進行分析。望遠鏡陣列中的27臺望遠鏡收集瀑布效應激發空氣中的氮氣所產生的螢光，科學家分析螢光，獲得相關數據。
這項組合技術能夠對超高能宇宙射線的通量，到達方向和能量都進行準確的測量。在2017年，皮埃爾·俄歇天文臺的研究員基於這項技術，明確表示具有極高能量的宇宙射線是銀河系以外而來的（援引Science第357期1266頁）。鑑於我們知道宇宙射線已有一個多世紀了，這一突破性發現似乎平淡無奇，甚至姍姍來遲。但是事實上，它反映了科研人員面臨的巨大難題。因為一般來說，能量超過1020eV的宇宙射線每百年才會一度降臨地球上一平方千米的土地上。
是什麼組成了超高能宇宙射線？
近幾十年來收集的數據顯示低能宇宙射線，大多是由質子，原子核和電子組成，它從天空的四面八方而來。科學家認為這種擴散是因為受到了銀河系漫布的磁場各個方向的輻射，產生偏移，因此無法直接找到這些射線的來源。超高能宇宙射線則不同，它能量極高，很容易穿過銀河系磁場，僅發生極小角度偏移。「我們能夠利用這些作為天文信使直接找到其來源。」皮埃爾·俄歇天文臺發言人羅孚·恩格爾（Ralph Engel）如是說。
在一次超高能宇宙射線產生的空氣簇射中，簇射穿過大氣層，瀑布效應涉及到越來越多的粒子。然而，每一次相互作用都會使其失去能量，也就是說簇射粒子的數量逐漸下降，只有一小部分到達地面。但是，通過了解空氣簇射在大氣中的傳播方式，俄歇和望遠鏡陣列的研究人員可以模擬粒子之間的相互作用，從而推斷出簇射在大氣中的峰值位置。通過結合瀑布效應峰值和測量到的瀑布效應能量，他們可以推斷出超高能宇宙射線的質量，從而確定其特性。
俄歇的科學家應用這種方法之初，他們希望最高能量的宇宙射線只是由質子組成。事實卻恰恰相反，他們發現了一些奇怪的東西。當超高能宇宙射線的能量從1018 eV增加到1020 eV時，質量也隨之增加。恩格爾解釋說：「我們從能量大約1019電子伏特的大量質子開始研究。」「突然，有一個氦(核)發生了巨大的性質改變，元素質量到達碳和氮之間。」
超高能宇宙射線的質量隨著射線能量的升高而增長，這是個困擾著理論物理學家和實驗物理學家的難題。令俄歇天文臺的科學家感到棘手的是，更重的超高能宇宙射線更容易因銀河系磁場產生偏移，這使得找出它的來源變得更加困難。另一方面，對於克裡特島大學(University of Crete)的瓦西裡基·帕夫裡杜(Vasiliki Pavlidou)等理論物理學家來說，這個問題更為根本：它可能挑戰我們對高能物理學的整個理解。她說：「如果處於最高能量的初級粒子確實變得越來越重，我們不得不接受一些令人不安的巧合。」
超高能宇宙射線穿過地球大氣層，發生瀑布效應產生空氣簇射，極少數射線能到達地面（圖源：馬克·加裡克Mark Garlic 科學圖片庫）
學界普遍認為，超過一定能量的宇宙射線在宇宙微波背景中與光子相互作用時時會急速失去能量，也就是說地球上觀測的超高能宇宙射線的能量的極限是1020eV。然而，假設受測粒子隨著能量的增加而增重，那麼首先加速超能宇宙射線的天體物理過程，——不管它是什麼——都必須以接近其最高能量的速度運行(較輕的粒子會因為體積太小而無法達到那些高能量)。因此，超高能宇宙射線的1020 eV能量極限是由兩個完全不相干的過程控制的：粒子怎樣在河外源頭加速，又怎樣在星際空間中失去能量。這是第一個奇怪的巧合。
第二個巧合關於銀河系內部的宇宙射線和來自其他地方的宇宙射線。銀河系內的宇宙射線在能量為3×1018eV時無法觀測，這與銀河系外宇宙射線隨能量增加而變重的起始能量完全相同。這絕不尋常，因為銀河系內和銀河系外的宇宙射線來自不同源頭（即使我們仍然不知道後者的來源）。
既然這兩個巧合都取決於完全不相關的物理過程和特性，為什麼它們會在相同的能量尺度上發生呢？原因之一可能是這些巧合根本不存在。如果銀河系外的宇宙射線沒有因為能量而變得更重，而總是維持質子形態，那就肯定是這樣，這種巧合就會逐漸消失。事實上，帕夫裡杜和她的克裡特島同事西奧多·託馬拉斯認為，超高能宇宙射線可能主要由質子構成，唯一的困難是一些未被實踐證明的物理現象，這些現象會影響一定能量以上的空氣簇射。
這聽起來可能很奇怪，但我們有充分的理由不完全拒絕這個想法。物理學家基於對粒子物理學標準模型的理解，對空氣簇射中的粒子如何相互作用進行了建模，但從未在高能量下進行過測試(甚至不曾用在大型強子對撞機上)。此外，這些模擬遠不能解釋所有觀測到的空氣簇射特性。所以有兩個差強人意的選擇：宇宙射線要麼是質子，新的物理現象使它們顯得很重，要麼是重粒子，那標準模型就需要進行極大的調整。
但如果是質子構成了超高能宇宙射線，要弄清楚質子如何偽裝成更重的粒子，則需要一些不同尋常的思考。有一種令人興奮的可能，即質子的最初碰撞產生了一個迷你黑洞，它的存在是由額外維度理論預測的。「對於合適數量的額外維度，質子實際上可以擁有預期質量，」託馬拉斯解釋說，「迷你黑洞會瞬間衰變為大量共享黑洞能量的強子，讓質子呈現出很重的狀態。」
另一種可能是預設量子色動力學(QCD)中尚未發現的相確實存在——該理論描述了夸克是如何被束縛在質子、中子和其他強子中的。然而，託馬拉斯承認，這些都是「奇異」的可能。「我們還沒有發現大的額外維度，」他說，「我們合理懷疑迷你黑洞很可能太小而不能支撐我們的想法，此外，我們對量子色動力學的相沒有足夠強有力的定量的理解。然而，如果證據表明超高能宇宙射線的表面是質子，託馬拉斯認為這些奇異現象在自然界中發生是「幾乎不可避免的」。
是什麼加速了超高能宇宙射線？
撇開是什麼構成了超高能宇宙射線的不確定性不談，真正重要的問題是：是什麼讓它成為這樣的物質？關於這一點，研究起來更加複雜。直到本世紀，一些物理學家還在探索著像「自上而下模型」這種奇特想法，這種模型不同於標準模型。其想法是，某種高能的、未知的物體，比如質量大於質子1012倍的超重暗物質，會衰變為超高能宇宙射線中的粒子。這些模型的缺陷在於，它們認為宇宙射線應該以光子和中微子為主，而來自皮埃爾·俄歇天文臺、望遠鏡陣列和其他地方的數據表明，宇宙射線主要是帶電粒子。恩格爾這樣說：「沒有人再嘗試建立這種自上而下的模型了。」
雖然還沒有完全排除暗物質是超高能宇宙射線的來源，但研究人員正在認真考量極端劇烈的天體物理活動是否會導致如此高的能量。脈衝星、伽馬暴、活動星系核的噴流、星爆星系和其他可能都在猜測範圍之中，研究人員的觀點搖擺不定。
義大利格蘭薩索科學研究所的羅伯託阿洛伊西奧（Roberto Aloisio）認為，從表面上看，俄歇天文臺的研究結果——即在更高的能量下，超高能宇宙射線粒子質量越重——是一項重要的進展。他解釋說：「重原子核比質子更容易加速，因為加速機制必然會感知粒子的電荷，而重原子核比質子的電荷更大。」因此，阿洛伊西奧建議俄歇天文臺將脈衝星作為超高能宇宙射線來源進行研究，脈衝星會產生更重的元素，並且能驅動這些粒子達到必需能量。（援引自Prog.Theor.Exp.Phys. 2017 12A102）
然而，目前有一個超高能宇宙射線來源備選的可能性遠大於其他備選。紐約城市大學的路易斯·安克拉多基(Luis Anchordoqui)是500強俄歇團隊的一員，他說：「要我打賭的話，我肯定會把全部籌碼放在到星爆星繫上。」星爆星系是宇宙中最明亮的星系，它們以極快的速度形成恆星。安克拉多基和他的同事在1999年首次假設，某種巨大集合力將附近的星爆星系核加速到具有超高能量，加上大量超新星爆炸星系，會在星系的中央高密度區域創造出星系級的氣體「超星風」。
隨著超星風逐漸擴張，其密度會降低，流速會減慢到亞音速——實際上，這就阻止了超星風本身的前進。「這會產生巨大的衝擊波，類似於原子彈爆炸，但威力要大得多。」安丘多基（Anchordoqui）說。
最為重要的是，這個擴散激波加速（簡稱DSA）的過程，可以激發氣體粒子達到接近光速。粒子受到磁場的限制，反覆穿過激波前沿，從而獲得能量增量。粒子繞著天體物理加速源轉了一圈又一圈，這些微小的能量不斷增加，直到達到逃逸速度，飛向太空。安丘多基在俄歇天文臺最新發現的基礎上重新審視了這一推論。（援引自：Phys Review D97 063010物理評論）
擴散激波加速並不僅僅發生在星爆星系，它也常常用於解釋其他超高能宇宙射線可能來源——包括伽馬暴、活動星系核等等——的粒子加速。然而在2018年初，賓夕法尼亞州立大學的Kohta Murase和同事證明了還有一種加速機制可能在起作用。（援引自：Phys Review D97 023026物理評論）
在他們的模型中，存在於特定星系中的普通宇宙射線，通過一種叫做離散剪切加速度的機制，受到活躍星系核的強大噴流賦予的巨大能量而推進寄宿。這是一個複雜的過程，包括粒子之間的相互作用、磁場中的局部擾動以及射流不同部分的速度差異（或「剪切」）和環境繭。但最終的效果與DSA相似。「宇宙射線通過在剪切邊界附近的來回散射獲得能量。」Murase解釋說，在加速之後它們通過常常在噴流末端發現的射電葉逃逸。
之後，來自馬裡蘭大學的Murase和Ke Fang (援引自Nature Phys. 14396自然物理)重新提出了一個觀點，即星系聚合體中強大的黑洞噴流可以為超高能宇宙射線提供動力。首先，他們將自己的模型與俄歇觀測到的超高能宇宙射線通量和成分數據進行了比較，發現其與實驗觀測結果良好吻合。但最有趣的是，他們發現，通過詳細描述活躍星系核如何產生超高能宇宙射線、中微子和伽馬射線，他們可以同時解釋南極冰立方中微子天文臺、費米伽馬射線太空望遠鏡和俄歇望遠鏡收集到的數據。「最美妙的可能性是，這三種信使粒子都來自同一類源。」Murase補充道。
超高能宇宙射線來自何處？
如果我們知道超高能宇宙射線來自天空的哪個部分，尋找它們的來源這一任務就會容易得多。但在宇宙射線科學中沒有「容易」這個詞。俄歇天文臺和望遠鏡陣列的科學家並不氣餒，他們製作了可能加速超高能宇宙射線的可能候選對象的目錄，然後將目錄中的星系核觀察到的宇宙射線的到達方向相匹配。隨著越來越多的數據的到來，這兩家機構都已經確定了一個區域，該區域似乎是這些射線的主要來源。
奇異源頭:位於大熊星座1200萬光年之外的星爆星系M82(上圖)可能是超高能宇宙射線的誕生地。(圖源: NASA, ESA and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA))
在俄歇天文臺的研究中，這塊區域有許多星爆星系，但半人馬座——距離銀河系最近的巨型星系，它擁有活躍的星系核——也位於此處。至於望遠鏡陣列，它的「熱點」就在大熊星座下方，這更清晰地指示了宇宙射線的到達方向，探測到的超高能宇宙射線信號有四分之一來自以個40°的扇形區域，而這個扇形只佔天空的6%。儘管M82星爆星系位於大熊星座(Ursa Major)約1200萬光年之外的熱點地區，但這片天空中其他各種類型的天體也可能是超高能宇宙射線的誕生地。
恩格爾說：「如果你認為它是星爆星系，其相關性導向了M82星系，如果你認為它是活動星系核，相關性則導向半人馬座。」「儘管這些數據與星爆星系相關性更高，但這並不意味著它們就必然是超高能宇宙射線的來源。」
我們不知道超高能宇宙射線是什麼，也不知道是什麼加速了它，因而我們也無從探尋它究竟源於天空何處。然而，我們可能很快就會找到答案。對皮埃爾·俄歇天文臺和望遠鏡陣列的升級正在進行中，研究人員也正在探索新的設施，如極端多信使天體物理(POEMMA)探測衛星。
這些奇妙的粒子來自何處，質量幾何，這些奧秘終將在一個世紀內水落石出。
作者:Benjamin Skuse
FY:Maurice
如有相關內容侵權，請於三十日以內聯繫作者刪除
轉載還請取得授權，並注意保持完整性和註明出處