关于宇宙线物理介绍

[拼音]：yuzhouxian wuli

[外文]：cosmic ray physics

研究宇宙线的性质的一门物理学分支学科。宇宙线是来自宇宙深处的高能射线。进入大气层之前的宇宙线称为初级宇宙线，它们进入大气层，与大气层原子核相互作用产生的各种粒子称为次级宇宙线。

宇宙线物理的研究主要集中在天体物理、高能物理和日地空间物理三个方面。

（1）天体物理方面的研究，包括宇宙线的起源、加速机制、在星际间的传播、各种成分的能谱、元素的化学成分的研究以及关于新的高能天体过程的研究──X射线和γ射线天文学(见宇宙线的起源和传播)；

（2）高能物理方面，在高能粒子加速问世以前，研究基本粒子的产生及其相互作用，主要依赖宇宙线的研究，随后一直在高于已有加速能量的能区，研究超高能宇宙线与物质的作用；

（3）日地空间物理方面，包括银河系宇宙线在太阳系中受到的调制（即在太阳系影响下，宇宙线的能谱、成分和强度的变化）、太阳宇宙线、宇宙线的地磁效应(如纬度效应、东西效应等)等。

与其他许多新现象的发现一样，宇宙线是在研究大气的电导率时偶然发现的。在屏蔽良好的静电计中，仍测出有很小的漏电，因此人们猜测可能是某种未知的辐射源导致了空气电离，这种源具有比当时人们比较熟悉的放射性有更大的穿透本领。

1911～1912年，V.F.赫斯利用气球将高压电离室带到 5000米以上高空，发现离开地面700米时，电离度有一些下降（地面放射性造成的背景减少所致），而后随着气球的上升，电离持续增加。白天和夜间测量结果相同。因此他断定这种射线来源于宇宙空间。这一推论为以后其他实验进一步证实。后者给出在 9000米高空的电离度比海平面高12培。

R.A.密立根等人1922～1926年间研究了这种辐射在高山湖泊的不同深度水中和相当于不同深度水的重量的大气层中的吸收现象，实验结果表明二者的吸收率相同，进一步证明了这种辐射的源不是在大气层中。

1927年，利用云室观察到射线中带电粒子的径迹，用盖革计数器研究时发现带电粒子能够穿透两个或更多个计数管。发现了这种辐射的纬度效应，即射线的强度随纬度变化，赤道附近的强度比高纬度地区低，表明初级射线应带有电荷，地磁场对它们产生了影响。

由于这种射线来源于宇宙空间，所以称之为宇宙线。以后的10年中，人们在海平面和气球所能达到的高度区域内，广泛地研究了宇宙线的性质，发现除了纬度效应外，宇宙线还具有东西效应，即在同一观测点来自西方的粒子多于从东方来的。东西效应表明初级宇宙线应带正电荷，在地磁场作用下发生偏转，导致强度的东西不对称性。

在发现正电子的同时，也发现了电磁级联簇射，它是高能电子或γ光子在空气或其他物质中，经过多次电磁作用，产生大量次级正负电子和γ光子的过程。不久，发现了广延大气簇射现象，它是能量高于1013eV的宇宙线强子在大气层顶部与原子核作用，产生大量次级强子，这些强子继续作用形成的核级联过程。在这个过程中，π0介子衰变成的2γ光子，接着很快形成电磁级联簇射。这样的两种级联过程在大气中所构成的现象被叫做广延大气簇射。

在接近海平面的次级宇宙线可分为软硬两种成分。软成分经过10厘米厚的铅，几乎全部被吸收，主要是电子和γ光子；硬成分可以穿透很厚的物质层，主要是X子，X子是1937年在宇宙线中利用云室发现的。

第二次世界大战后，实验技术和仪器得到了迅速的发展。如新型计数器、新的电子仪器、电子灵敏核乳胶，更精密的云室和能够带更重仪器到更高高空的气球。用这类仪器进一步研究了电磁级联簇射和核级联过程，在宇宙线中发现了 π介子、K介子、±0、、和Ξ-超子等。对高能宇宙线在云室和核乳胶中产生的核作用也给出了很好的结果，发现了喷注现象。

1957年人造卫星的成功发射为日地空间宇宙线现象的研究开创了新纪元。借助各种空间探测束，发现了范艾伦辐射带，并对初级宇宙线的成分给出了更精确的结果。

宇宙线的观测根据研究对象的不同，分为高空、高山和地下观测。探测装置的种类也很多，有云室、核乳胶、乳胶室、闪烁计数器、多丝室和核物理以及高能物理实验中使用的各种探测装置等，空间运载工具有气球、人造卫星、宇宙飞船等。

中国的宇宙线研究开始于1951年。1954年在王淦昌、肖健等的领导下，在云南落雪山（3180米）建立了宇宙线实验站。1957年在落雪山和北京白家建立了两个宇宙线强度观测台站。60年代中期，在张文裕和肖健领导下，在落雪山附近海拔3220米山峰上建成了一个新的高山站，它的云室组是当时世界上规模最大的云室组之一。利用这些设备，观测记录了宇宙线强度，并开展了多方面的宇宙线高能物理的研究。如在60年代初研究100GeV以上高能宇宙线强子同轻核作用，比较早地给出了双喷注现象。1972年获得了一个可能的重质量带电粒子事例，估计质量大于 12倍质子质量，寿命长于10-9秒，电荷可能为整数，也可能为2/3、1/3等分数。

随着加速能量的提高，宇宙线物理研究的重点逐渐转向宇宙线天体物理。为了在高空观测初级宇宙线的现象，开展宇宙线高能天体物理，1977年开始发展高空科学气球系统，并首次于1984年在中国成功地观测了蟹状星云脉冲星。为了开展超高能宇宙线核作用的研究，1977年在西藏甘巴拉山（5500米）建立了高山乳胶室， 用以研究1013～1016eV以上的超高能宇宙线的作用现象。它是世界上最高的高山乳胶室，也是世界上最大规模的高山乳胶室之一。已取得一些有意义的科研成果。

参考书目

1. S.Hayakawa，Cosmic Ray Physics，Interscience，NewYork，1969.
2. O.C.Allkofer，Introduction to Cosmic Radiation，Verlag Karl Thiemig， Munich，1975.