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1、2016年第61卷第11期：1188~1209《中国科学》杂志社专栏评述SCIENCECHINAPRESS第518次学术讨论会•宇宙线起源的天文和物理交叉研究前沿宇宙线起源中物理学前沿问题*胡红波,郭义庆中国科学院高能物理研究所,北京100049*联系人,E-mail:huhb@ihep.ac.cn2015-07-01收稿,2015-07-31修回,2015-07-31接受,2015-10-08网络版发表国家自然科学基金(11135010)资助项目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
2、,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
3、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1宇宙线的发现、历史回顾和天体粒子物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,安理的兴起德森和尼德迈尔利用云雾室又在宇宙线中发现了1912年,奥地利物理学家赫斯乘坐热气球上升子;1947年,鲍威尔在高空核乳胶中发现了汤川秀树到5350多米的高空.在6小时飞行当中,通过对电离于1934年预言的能传递强相互作用的介子.室中电流的测量,发现高空空气的电离率是地面的作为联系微观
4、粒子和宏观宇宙的桥梁,宇宙线数倍,从而说明这种空气中的电离现象是由地球外研究既对粒子物理也对天体物理做出了重要贡献.边的“辐射”(后被称为宇宙线)所致.值得一提的是,一个突出的例子,就是对太阳中微子和超新星中微1913~1914年,德国物理学家柯尔霍斯特重复了赫斯子的观测的贡献.在长达24年的观测中,雷蒙德·戴的实验,1914年的气球飞行竟达到了9000m的海拔高维斯发现了太阳中微子的缺失,为研究不同味道中度.赫斯实验后来被人们认为是标志宇宙线发现的[2]微子之间的振荡效应做出了卓越贡献;小柴昌俊实验,高海拔及空间实
5、验也从此与宇宙线研究结下所领导的神冈实验除了证实太阳中微子缺失,还发了不解之缘.现了超新星SN1987A爆炸时所发出的中微子,直接[3]从宇宙线发现到20世纪50年代人们将第一台同验证了大质量恒星演化晚期形成中子星的理论,超步加速器用于高能粒子物理实验之间的一个相当长级神冈实验还于20世纪末发现了大气中微子的振荡.的时间里,人们在宇宙线的研究中发现了许多基本随着研究领域的不断扩大和拓展,2013年10月,[1]粒子,带来了粒子物理学的飞速发展.1932年,安国际纯物理和应用物理联合会(IUPAP)正式批准将所引用格式
6、:胡红波,郭义庆.宇宙线起源中物理学前沿问题.科学通报,2016,61:1188–1209HuHB,GuoYQ.Frontierphysicsproblemsrelatedtotheoriginofcosmicrays(inChinese).ChinSciBull,2016,61:1188–1209,doi:10.1360/N972015-00702©2015《中国科学》杂志社www.scichina.comcsb.scichina.com评述属的宇宙线专业委员会(C4)的名称由宇宙线更改为天体粒子物理.从天体的角度
7、看,宇宙线来自于太阳的高能活动和各类天体的演化,与星际介质、磁场,与星系际介质、磁场,与微波背景等发生相互作用,星系形成早期的高能宇宙线会影响一些元素丰度的演化,近来的研究还表明宇宙线在星系形成过程中可能也发[4~6]挥作用.从粒子的角度看,宇宙线的测量和研究对象是各种稳定的高能粒子和高能原子核,这些粒子可能直接来自宇宙中各类天体的演化,或来自传播过程中与环境物质、辐射场作用的产物,或可能来自宇宙演化的早期,比如未知的暗物质粒子、磁单极、轴子[8]等超出标准物理模型的粒子.图1(网络版彩色)太阳系和宇宙线各个元素丰度
8、比较.其中太阳从所涉及的物理问题看,宇宙线研究包括宇宙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]线起源、加速和传播这3个基本问题,此外,宇宙线所Figure1(Coloronline)ComparisonofSolarsystemandcosmic-ray[8]具有的高能及在宇宙尺度上进
