“Oh-My-God”粒子后，再现打破理论极限高能粒子，1克摧毁地球！
2023年11月24日，《科学》杂志上发表了一项惊人的研究，研究人员宣称他们探测到了一起能量高到超乎想象的宇宙线事件。
文章题为《An extremely energetic cosmic ray observed by a surface detector array》，意为：由表面探测器阵列观测到的高能宇宙射线。
来自美日韩等国的研究人员，将这个宇宙线命名为“Amaterasu粒子”（Amaterasu是日本神话中的太阳女神——天照大神）。
理论上，仅仅1克“天照粒子”就能够摧毁整个地球！
令人费解的是，没有任何已知的来源能够产生如此高能量的粒子。
宇宙线的能量大小是难以想象的。
我们用电子伏特（eV）作为最基本的能量单位来描述它。
简单来说，1电子伏特是指一个电子通过1伏特的电位差时所获得的能量。
宇宙线的能量范围宽广，其中最常见的是那些能量相对较低的，比如来自太阳的宇宙线。
然而，当宇宙线的能量超过1×10¹⁸eV时，它就被称为特高能宇宙线。
这种宇宙线的能量比人造粒子加速器所能达到的最高能量还要高出100万倍。
它们的起源通常被认为是与宇宙中最极端的现象相关，比如伽马射线暴或黑洞周围的相对论性喷流。
那么，宇宙线的能量有没有上限呢？
上世纪60年代，三位科学家提出了一个理论极限：
从距离地球3亿光年以外发出的宇宙线，其能量不应超过5×10¹⁹eV。
这个数值被称为GZK极限（Greisen-Zatsepin-Kuzmin limit）。
理论上，如果超过这个极限，宇宙线在穿越空间时就会与宇宙微波背景相互作用，导致其在行进过程中不断损失能量。
然而，科学探索永无止境。
1991年，天文学家们探测到了一个能量高达3.2×10²⁰eV的宇宙线，这显然超出了理论极限。
理论上，这个粒子不应该来自其他遥远的星系，但银河系中又没有任何天体有能力产生如此高能的粒子。
这个令人震惊的高能粒子因此被命名为“Oh-My-God粒子”，确实是一个有趣的称呼！
在这种能量下，Oh My God粒子的动能相当于一只拥有100km/h时速146g的棒球。
如果要通过人造加速器产生如此高的能量，那么加速器的大小将需要与水星轨道相当！
如今，最新探测到的Amaterasu粒子的能量也超过了GZK极限，约为2.4 x 10²⁰eV。
这是继Oh-My-God粒子之后，30多年来探测到的最高能的宇宙线。
这些发现引发了科学界的热议和好奇，猜测这些高能宇宙线的起源可能与未知的物理过程有关。
那么，研究人员是如何捕捉到Amaterasu粒子的呢？
答案就在于得天独厚的望远镜阵列。
当来自外太空的宇宙线粒子抵达地球时，它们会撞击地球的高层大气，并与大气中的氧和氮的原子核发生碰撞，引发次级粒子的级联。
这些所谓的“大气簇射”包含了数十亿颗次级粒子。
当它们散落在地球上时，覆盖的地表面积是巨大的，由10²⁰eV的宇宙线引发的大气簇射可以覆盖地表宽达16平方千米的区域。
因此我们需要一个覆盖面积较大的探测器。
位于美国犹他州西部沙漠的三角洲外的望远镜阵列（Telescope Array）就是这样一个装置。
它由507个地面探测器组成，排列成一个正方形网格，覆盖了地表700平方千米的面积。
望远镜阵列位于大约1200米的高度，这是最大限度探测次级粒子的最佳海拔点。
其所在地具备两个优势：
一是干燥的空气，因为湿度会吸收探测所需的紫外线；
另一点是这片区域有着非常优秀的黑暗天空，这也是必不可少的，因为光污染会干扰对宇宙线的探测。
2021年5月27日，望远镜阵列探测到了Amaterasu粒子。
大气簇射触发了望远镜阵列西北区域的23个探测器，面积达48平方千米。
通过研究探测到的大气簇射中的粒子，科学家可以重建原宇宙线的能量、质量和到达方向。
然而，当研究人员试图分析Amaterasu的起源时，却陷入了困境：
这些高能宇宙线似乎来自一个几乎没有星系存在的类似巨洞的区域，这让人们对宇宙线的起源充满了更多的疑问。
换句话说，他们没有发现任何足以产生这种高能量的天体事件。
这是怎么回事呢？
一种可能的解释是研究人员用来预测磁场如何影响宇宙线路径的模型并不完全正确，可能需要做一些调整。
另一种更加激动人心的可能性是特高能量宇宙线实际上是由一些未知的物理过程产生的，使得它们能够传播比过去认为的还要更远的距离。
有没有可能是外星人的加速器搞出来如此奇特的高能粒子呢？
无论是哪种情况，科学家们都没有停下探索的脚步。
为了更精确地追踪宇宙线的起源，研究人员正在升级望远镜阵列，使其灵敏度提高到之前的4倍，以便捕捉到更多罕见的高能宇宙线。
一旦完成，500个新的闪烁体探测器将在2900平方千米的范围内捕捉宇宙线。
更大的覆盖范围意味着研究人员将有机会捕捉到更多罕见的特高能宇宙线，从而更精确地追踪它们的起源。
我们国家在海拔4400多米的四川稻城县建设的高海拔宇宙线观测站，在银河系内发现了大量超高能宇宙加速器。
以宇宙线观测研究为核心的国家重大科技基础设施，是看得见摸得着也能读得懂的。
这个观测站目前还在建设中。
也许在不远的将来，我们就能更深入地揭开宇宙线的神秘面纱，进一步揭示宇宙的奥秘。
参考文章：
