互动科普

宇宙线产生的反物质

20世纪初人们就已经发现，有一些高能量的粒子从地球外飞来，它们大部分被地球大气层所阻隔，但还是有不少到达我们生活的地面。这些粒子被称为宇宙线。这里要稍微解释一下，有时我们说地球大气层之外的空间是真空，这是和地球大气相对比说的。严格地说，那里并不完全是真空，而是有一些密度相当低的气体（星际介质），此外还弥漫着一些更为稀少的、我们刚才说到的高能宇宙线粒子。

在粒子物理学界，粒子的能量常用百万电子伏特（MeV）或十亿电子伏特（GeV）表示，1电子伏特是1个电子在通过1伏特的电场时获得的能量。温度大约1万摄氏度的气体，其中每个核子的动能大约是1电子伏特的量级。因此，我们可以看出宇宙线粒子所具有的能量远远大于我们日常熟悉的环境中一般粒子的能量，甚至也远高于太阳和其他恒星内部的粒子能量。

宇宙线粒子中最多的是质子，也就是电离的氢原子的核，其次是电离的氦核。这并不奇怪，因为这些正是宇宙中最常见的元素。此外当然也有许多其他的原子核，也有电子，还有正电子、反质子等反物质，但数量比正物质少得多。

越是能量高的宇宙线粒子越是稀少。实际上，很久以来人们就认识到，宇宙线粒子的能谱（能量分布）近似服从幂律分布，也就是粒子数量正比于E^-n ，其中幂律指数n约为2.5。如左下图所示，10¹¹eV（100GeV）能量的宇宙线粒子，每平方米每秒就有一个，而10¹⁶eV（1000万GeV）能量的宇宙线粒子则是每平方米每年才有一个。宇宙线中的电子比较少一些，也呈幂律分布，但其幂律指数约为3。

宇宙线能谱

宇宙线粒子的能量越高，其流量越低，也就是越稀少。深蓝色条带表示测量的误差范围。

这些具有很高能量的宇宙线粒子来自哪里呢？现在一般认为它们主要是在超新星遗迹中逐渐加速获得能量的。在银河系中，不时有一些恒星发生剧烈的超新星爆炸，这些爆炸之后几万年甚至更长的时间里，产生的冲击波会一直在星际空间传播，直到其能量最后耗尽。一些粒子碰上冲击波后，就像乒乓球撞上向它挥来的球拍一样会获得一些能量。在一次碰撞中得到的能量并不多，但这些粒子是带电的，在磁场的作用下粒子会绕圈飞行，反复回来，每次都获得一些能量，因此其能量会越来越高，其在磁场中回转的半径也就越来越大，直到超过了磁场的范围，这时它们就脱离了超新星遗迹，在银河系中传播。银河系中也有磁场，因此它们在银河系中也是绕着螺线飞行，逐渐扩散到整个银河系中。这种机制产生的宇宙线粒子，其能量就服从幂律分布。在这一过程中，有些宇宙线粒子会与其他粒子相碰，并产生许多次级粒子，其中也包括正电子、反质子等反物质粒子。由于宇宙线粒子的能量分布是幂律分布，在这些碰撞过程中产生的反粒子的能量分布也应该是幂律分布。

如果宇宙线次级粒子是反物质的惟一来源的话，找到这些反粒子有一定科学意义，但似乎还谈不上带来突破性的发现。但是，到了丁肇中提出到太空中去找反物质的时候，人们又想到了另一种反物质粒子的可能来源，它比宇宙线次级粒子要有意思得多。

（本文发表于《科学世界》2013年第5期）