那些本不该存在的疾驰粒子之谜

在阿根廷西部这片无树的平原上，似乎没有任何东西在消耗大量能量。牛在稀疏的草地上吃草，几乎一动不动，草在炎热干燥的高海拔地区生长缓慢。一个带有小型太阳能电池板和朝天接收天线的圆柱形水箱，在几乎静止的风景中不起眼地坐落着。但在这幅景象的背后，却充满了戏剧性。在任何给定时刻，数百万来自深空的粒子都在倾泻而下，穿透它们路径上的一切物体。每一个粒子随后都会消失得无影无踪——除非它恰好穿过水箱，在那里它会引起一个微小的火花，远在数千英里外的科学家都能看到。

这个水箱是分布在1100平方英里土地上的1600个水箱之一，间隔一英里，面积比罗德岛还大。它们共同构成了皮埃尔·奥格宇宙射线天文台（Pierre Auger Cosmic Ray Observatory），这是一个耗资5000万美元的物理学实验，旨在研究来自宇宙中最暴力之地的一些原子碎片。这些高能粒子，被（有些误导性地）称为宇宙射线，讲述着关于爆炸的恒星和黑洞的故事，这些天体塑造了星系，并为宇宙播下了生命的必需元素。

传统的望远镜对许多这样的灾难都视而不见。在北边约600英里处，坐落在智利高耸的山巅，一些世界上最伟大的天文台正在以惊人的细节 survey 着遥远的宇宙，然而它们对于类星体内部、恒星冲击波的边缘，或暗物质的团块却没有什么新发现。可见光和无线电波无法或不能逃离这些区域。而宇宙射线，直接从燃烧的现场飞来，则可以。

为了获得对宇宙的新视角，天文学家正与粒子物理学家合作，开发探测这些不循规蹈矩粒子的巧妙方法。皮埃尔·奥格的水箱是一种方法；像先进薄电离量热仪这样由气球携带的实验是另一种。“将这些设备视为‘望远镜’是革命性的，”位于芝加哥郊外的费米国家加速器实验室（Fermilab）的高能天体物理学家丹·胡珀（Dan Hooper）说。“望远镜不仅仅是用来观看和指向某物的。你必须非常有创意。”

用宇宙射线之眼观测宇宙，首先要知道的是，地球大气层会在这些粒子到达地面之前将其摧毁。宇宙射线——通常是质子，但有时也是其他粒子——会撞击距地表约50英里处空气分子，迅速失去能量，并产生数十亿个电子、正电子和μ子的粒子流，倾泻到下方的地形上。

这就是皮埃尔·奥格的水箱网络发挥作用的地方。科学家们之所以选择它们作为探测器，正是因为光在水中的传播速度比在空气中慢。粒子会以接近光速的速度在空气中穿行；一旦进入水中，它就会发现自己违反了自然的限速。当带电粒子在绝缘材料（如水）中以比光速更快（理论上）的速度移动时，它们会扰乱附近的电子，引起闪光（称为契伦科夫辐射）。

当多个水箱同时探测到闪光时，科学家们就知道已经发生了粒子流。通过结合所有水箱中闪光精确的时间数据，奥格的物理学家可以重建高层大气中发生的碰撞，并确定原始宇宙射线的能量和方向。这就是为什么他们称之为望远镜。

皮埃尔·奥格天文台在阿根廷运行的六年里，已探测到160万次粒子流。最近，科学家们追踪了其中一些粒子流的起源，追溯到了位于1200万光年外的M82星系中的剧烈超新星。这些恒星爆炸是我们观测到的最强大的事件之一——每一次爆发发出的光足够多，可以比整个普通星系还要亮。然而，超新星发出的宇宙射线却平淡无奇——在天体物理学标准下仅属中等能量。几乎所有科学家测量的粒子流都是如此：有趣，但并不壮观。

让物理学家们坐不住的是那些极为罕见的、能量极高的粒子——比M82发出的粒子能量高出1亿倍。这种极端粒子是物理学中最稀有的东西之一；它们每世纪每平方英里只会降落两到三次。这就是为什么奥格网络需要覆盖如此广阔的区域。奥格的物理学家兼项目经理保罗·曼特什（Paul Mantsch）说，到目前为止，天文台已经观测到了约50个这样的超高能宇宙射线。（相比之下，哈勃太空望远镜即使从它观测的最暗淡的星系也能接收到成千上万的光子，即光粒子。）

1991年，科学家们在犹他州的Fly’s Eye天文台开始观测到这些极端粒子时，感到非常震惊。“没有已知的机制——无论是自然界还是人为——能够将粒子加速到如此高的程度，”曼特什说。也不清楚这些粒子是如何到达地球的。具有如此高能量的宇宙射线应该会与星际空间中的微波辐射相互作用并衰弱。然而，犹他州的粒子和“奥格50”号，它们几乎以光速飞行，似乎完好无损地到达了。因此，对曼特什及其同事来说，问题非常尖锐：这些不可能存在的粒子来自哪里？

曼特什说，这些宇宙射线的巨大能量可能是一个重要的线索。为了达到如此高的速度，它们的来源在宇宙学意义上必须很近——在2.5亿光年之内。2007年，在奥格工作的天文学家追踪到了一些超高能宇宙射线，其来源是附近的活跃星系核，即暴力星系的湍流中心。据信，所有这些骚动的根源是一个比太阳质量大数十亿倍的巨大黑洞。当这些巨兽吞噬气体云时，它们强大的磁场可能会以近乎光速将高能粒子喷射到太空中。然而，科学家们尚未完全信服；最近的数据尚无定论。纽约大学物理学家格伦尼斯·法拉尔（Glennys Farrar）说，她与奥格天文台的研究人员合作：“活跃的星系核似乎说得通，但现在情况更加扑朔迷离了。”

一些科学家认为，这些不可能存在的粒子的来源可能更为奇特。加州大学洛杉矶分校的天体物理学家雷内·翁（Rene Ong）使用亚利桑那州的极高能辐射成像望远镜阵列系统（VERITAS）对可能的宇宙射线发射源进行了天空普查。他发现，大多数宇宙射线来自众所周知的、也产生其他形式辐射的物体——例如，黑洞会发出X射线，超新星会发出可见光。但翁发现了一些区域，它们会发出宇宙射线，但似乎没有其他辐射，就像晴朗天空中的闪电风暴。物理学家们将这些被称为“黑暗加速器”（dark accelerators）的神秘来源，现在数量已达数十个。“它们是新东西吗？我们不知道，”翁说。“我们引入的神秘事件和解决的谜团一样多。”天文学家现在将用他们最好的仪器对这些天空区域进行观测。

当翁在寻找最强大的宇宙射线的来源时，其他物理学家正在利用这些粒子来探索另一个宇宙奥秘：暗物质，一种几乎不与普通粒子相互作用的看不见的物质形式。我们只知道它的存在是因为它的引力效应，尽管它的质量可能是普通物质的五倍。加州大学圣克鲁兹分校的暗物质理论家乔尔·普里马克（Joel Primack）说：“谁找到它，谁就能去斯德哥尔摩。”

你如何找到你看不到的东西？费米实验室的胡珀说：“你需要一种不同类型的望远镜。”宇宙射线探测器可能正是所需的。胡珀想寻找暗物质粒子相互碰撞的证据。它们不会发出可见光，但可能会释放出科学家可以探测到的高能粒子。

事实上，物理学家们可能已经发现了这个信号。在过去的几年里，气球和卫星宇宙射线实验发现，高能电子及其带正电的对应粒子（正电子）的浓度，远高于它们从太阳和其他已知银河系内宇宙射线源预期的浓度。一些理论家将这种奇怪的过量归因于附近的脉冲星——快速旋转的恒星残骸——但胡珀怀疑这是暗粒子在围绕银河系快速运动时相互作用的结果。

为了获得更明确的答案，科学家们需要全面了解穿过太空的宇宙射线的种类、它们的速度以及它们来自的方向。这种精确度需要一个可以直接接收宇宙射线的探测器。今年七月，阿尔法磁谱仪实验（AMS）将开始这项工作。AMS将对接国际空间站，在那里它可以在粒子撞击地球大气层之前拦截它们。如果过量粒子的来源是像脉冲星这样的单一物体，该实验应该会显示出来自一个方向的宇宙射线数量有微小的增长。相反，如果粒子分布均匀，则表明它们起源于弥漫在整个银河系中的暗物质。这样的发现将颠覆当今粒子物理学的观念。“如果暗物质正在产生这些宇宙射线，”胡珀说，“那么你就必须排除我们现在所拥有的绝大多数模型。”

科学家们总是渴望更好的设备，但宇宙射线的研究确实在挑战极限。奥格天文台已经是迄今为止最大、最灵敏的宇宙射线探测器，然而，如果科学家们想解开超高能宇宙射线的谜团，他们将需要比50个样本大得多的样本。他们还需要更精确地了解粒子来自天空的哪个方向。幸运的是，帮助正在到来。2013年，日本计划将极端宇宙空间望远镜（pdf）送往国际空间站，届时它将向下观测地球，探测宇宙射线撞击大气层时发生的紫外线闪光。在地面上，奥格的科学家们希望在科罗拉多州建造另一个天文台——被称为Auger North——其覆盖面积将是阿根廷阵列的七倍。两者结合，两个奥格项目将能够扫描整个天空寻找宇宙射线。

由于这些项目成本高昂，科学家们也在探索更小、更具创意的解决方案。最近，格伦尼斯·法拉尔在她的纽约大学办公室窗外看到了任何纽约客都熟悉的东西：附近建筑的屋顶上有木制水箱。法拉尔希望利用遍布城市的约14,000个水箱，它们像外星飞船一样点缀着这座城市。如果按她所愿，几年后，其中许多水箱将配备价值约5000美元的光学传感器和电子设备，用于探测像奥格水箱那样微小的光闪。宇宙射线猎人将登上百老汇。