极高能宇宙线研究进展

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1、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宇宙线的研究进展UltraHighEnergyCosmicRays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。AbstractTherecentachievementsofultra-highenergycosmicray(UH

2、ECR)arebrieflyreviewed.UHECRsareparticleswithenergyabove,whichmayplayanimportantroleinmodernhigh-energyphysics,particlephysicsandcosmology.However,theoriginandthecompositionofUHECRsarestillenigmas.BeginningwiththeGZKcut-off,wepresenttheobservationsandtheoreticalmodelsfortheUHECRs

3、tudy.Itisacommonpointthattheseenergeticparticlesmaybeawindowtonewphysics.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[1～4]。由于极高能宇宙线事件发生几率很小，人们对它们的认识还很少。

4、近几年来，随着观测技术的不断改进，使得对极高能宇宙线的认识有了很大提高。对极高能宇宙线，GZK疑难仍是人们关注的焦点。1965年2.7K宇宙微波背景辐射(CMB)被发现后不久，Greisen[5]、Zatsepin和Kuzmin[6]14北京大学政学者论文集（2003年）极高能宇宙线的研究进展即指出，当宇宙射线质子能量高于阈值能量时，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

5、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

6、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[2～3,11～13]。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

7、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-pionproduction)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%～20%[14]。(2)光致裂变(photo-disintegration)对于重核，其能损过程更为复杂。除GZK效应之外，它们还会遭遇光子发生裂变，，其中为核子。在处，因

8、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(pairpro