宇宙线

宇宙线亦称为宇宙射线，是来自外太空的带电高能亚原子粒子。它们可能会产生二次粒子穿透地球的大气层和表面。射线这个名词源自于曾被认为是电磁辐射的历史。主要的初级宇宙射线（来自深太空与大气层撞击的粒子）成分在地球上一般都是稳定的粒子，像是质子、原子核、或电子。但是，有非常少的比例是稳定的反物质粒子，像是正电子或反质子，这剩余的小部分是研究的活跃领域。大约89%的宇宙线是单纯的质子，10%是氦原子核（即α粒子），还有1%是重元素。这些原子核构成宇宙线的99%。孤独的电子（像是β粒子，虽然来源仍不清楚），构成其余1%的绝大部分；γ射线和超高能中微子只占极小的一部分。粒子能量的多样化显示宇宙线有着广泛的来源。这些粒子的来源可能是太阳（或其它恒星）或来自遥远的可见宇宙，由一些还未知的物理机制产生的。宇宙线的能量可以超过1020 eV，远超过地球上的粒子加速器可以达到的1012至1013 eV，使许多人对有更大能量的宇宙线感兴趣而投入研究。经由宇宙线核合成的过程，宇宙线对宇宙中锂、铍、和硼的产生，扮演着主要的角色。它们也在地球上产生了一些放射性同位素，像是碳-14。在粒子物理的历史上，从宇宙线中发现了正电子、μ子和π介子。宇宙线也造成地球上很大部分的背景辐射，由于在地球大气层外和磁场中的宇宙线是非常强的，因此对维护航行在行星际空间的太空船上太空人的安全，在设计有重大的影响。宇宙线大致可以分成两类：原生和衍生宇宙线。 来自太阳系外的天文物理产生的宇宙线是原宇宙线；这些原宇宙线会和星际物质作用产生衍生（二次）宇宙线。太阳在产生闪焰时，也会产生一些低能量的宇宙线。在地球大气层外的原宇宙线，确实的成分，取决于观测能量谱的哪些部分。不过，一般情况下，进入的宇宙线几乎90%是质子，9%是氦核（α粒子），和大约1%是电子。氢和氦核的比例（质量比氦核是28%）大约与这些元素在宇宙中的元素丰度（氦的质量占24%）相同。其余丰富的部分是来自于恒星核合成最终产物的其它重原子核。衍生宇宙线包含其它的原子核，它们不是丰富的核合成或大爆炸的最终产物。这些较轻的原子核出现在宇宙线中的比例远大于在太阳大气层中的比例（1:100个粒子），它们的丰度大约是氦的10−7。这种丰度的差异是衍生宇宙线造成的结果。当宇宙线中重的原子核成分，即碳和氧的原子核，与星际物质碰撞时，它们分裂成较轻的锂、铍、硼原子核（此过程被称为宇宙射线散裂）。被发现的锂、铍和硼的能谱比来自碳或氧的更为尖细，这个值暗示有少数的宇宙射线散裂是由更高能量的原子核产生的，推测大概是因为它们是从银河的磁场逃逸出来的。散裂也对宇宙线中的钪、钛、钒和锰离子等的丰度负责，它们是宇宙线中的铁和镍原子核与星际物质撞击产生的（参见天然的背景辐射）。即使卫星实验在原宇宙线中发现一些反质子和正电子存在的证据，但没有复杂的反物质原子核（例如反氦核）存在的证据。在原宇宙线中观测到的反物质丰度是符合它们也能由原宇宙线在深太空和普通物质撞击，在衍生宇宙线的程序中产生的理论。例如，一种在实验室中产生反质子的标准方法是以能量大于6 GeV的质子去撞击其他的质子，而在原宇宙线中很轻易的就有许多质子的能量超过这个数值。无论是否在银河系中，当简单的反物质能够由这种程序产生时（不是在大气层的高层），它们仍可能传播遥远的距离抵达地球，而不会在星际空间中与其他的氢原子碰撞而湮灭。抵达地球的反质子特征是能量最多只有2GeV，显示它们产生的过程在基本上与宇宙线中的质子是截然不同的。在过去，人们认为宇宙线的通量随着时间的推移一直是相当稳定。最近的研究显示，以1.5至2千年的时间尺度，有证据显示在过去的40,000年，宇宙线的通量是有变化的。太阳调节（solar modulation）指太阳或太阳风改变进入太阳系的银河系宇宙射线强度和能谱的过程。当太阳处于活跃时期，相比安静时期，银河系的宇宙射线会较少的进入太阳系。基于这个原因，银河系宇宙射线与太阳一样遵从11年周期，但不同的是：剧烈的太阳活动对应低宇宙射线（进入太阳系），反之亦然。宇宙射线中的原子核之所以能够从他们遥远的源头一直到达地球，是因为宇宙中物质的低密度。原子核与其它物质有着强烈的感应，所以当宇宙线接近地球时，便开始于大气层气体中的原子核撞击。在大气簇射的过程中，这些碰撞产生很多π介子和K介子，这些很快会衰退为不稳定的μ子。由于与大气层没有强烈的感应以及时间膨胀的相对论性效应，许多μ子能够到达地球表面。μ子属于电离辐射，从而可以轻易被许多粒子探测器检测到，例如气泡室，或闪烁体探测器。如果多个μ子在同一时间被不同的探测器检测到，那么它们很可能源自同一次簇射。现在，新的探测手段能够不通过大气簇射现象探测这些高能粒子，也就是在太空中，不受大气层的干扰，直接探测宇宙线，例如阿尔法磁谱仪实验。宇宙射线被地球大气层影响，对地面的单个人的天然本底辐射仅为0.3-0.4 mSv/y。在大气层外，每秒约有一个质子或更重的原子核穿过指甲大小的面积，总共每秒约有5000个离子贯穿宇航员的身体，打断体内的化学键，引起一连串电离反应。在宇宙射线中，少数较重的原子核会造成比质子更大的伤害，因为打断化学键的能力与电荷平方成正比。例如，铁原子核所造成的伤害是质子的676倍。根据美国航空航天局（NASA）的估计，航天员在太阳系内的太空中每年受到250 mSv的辐射，体内约有1/3的DNA会被宇宙射线切断。在月面是70-120mSv/y，近地轨道是100mSv/y，范艾伦辐射带为15 Sv/y。太阳也会释放大量质子与重原子核，以接近光速喷出，有时一小时内会逾数Sv，对没有屏障的航天员是致死剂量。亨利·贝克勒1896年发现放射性后，许多人认为大气中的电流（地球大气层的电离）仅来自于土中放射性物质或产生出的放射性气体（氡气的同位素）的辐射。1900至1910年，十年内逐增高度的电离率测量显示出一个能够通过空气对电离辐射的吸收解释的降值。其后，维克托·赫斯于1912年利用一个热气球，带着三台静电计，登上了5300米的高空。他探测到电离率增长到大约地面率的四倍。他得出的结论是“我的观察结果最好的解释是设想一种高穿透力的射线从上部进入大气层。”维克托·赫斯因为这次后人命名为“宇宙线”（cosmic rays）的发现于1936年获得诺贝尔物理学奖。