宇宙線物理

宇宙線物理的研究主要集中在天體物理、高能物理和日地空間物理三個方面。①天體物理方面的研究，包括宇宙線的起源、加速機制、在星際間的傳播、各種成分的能譜、元素的化學成分的研究以及關於新的高能天體過程的研究──x射線和γ射線天文學(見宇宙線的起源和傳播)；②高能物理方面，在高能粒子加速器問世以前，研究基本粒子的產生及其相互作用，主要依賴宇宙線的研究，隨後一直在高於已有加速器能量的能區，研究超高能宇宙線與物質的作用;③日地空間物理方面，包括銀河系宇宙線在太陽系中受到的調製（即在太陽系影響下，宇宙線的能譜、成分和強度的變化）、太陽宇宙線、宇宙線的地磁效應(如緯度效應、東西效應等)等。

與其他許多新現象的發現一樣，宇宙線是在研究大氣的電導率時偶然發現的。在屏蔽良好的靜電計中，仍測出有很小的漏電，因此人們猜測可能是某種未知的輻射源導致了空氣電離，這種源具有比當時人們比較熟悉的放射性有更大的穿透本領。

1911～1912年，v.f.赫斯利用氣球將高壓電離室帶到 5000米以上高空，發現離開地面700米時，電離度有一些下降（地面放射性造成的背景減少所致），而後隨着氣球的上升，電離持續增加。白天和夜間測量結果相同。因此他斷定這種射線來源於宇宙空間。這一推論為以後其他實驗進一步證實。後者給出在 9000米高空的電離度比海平面高12培。

R.A.密立根等人1922～1926年間研究了這種輻射在高山湖泊的不同深度水中和相當於不同深度水的重量的大氣層中的吸收現象，實驗結果表明二者的吸收率相同，進一步證明了這種輻射的源不是在大氣層中。

1927年，利用雲室觀察到射線中帶電粒子的徑跡，用蓋革計數器研究時發現帶電粒子能夠穿透兩個或更多個計數管。發現了這種輻射的緯度效應，即射線的強度隨緯度變化，赤道附近的強度比高緯度地區低，表明初級射線應帶有電荷，地磁場對它們產生了影響。

由於這種射線來源於宇宙空間，所以稱之為宇宙線。以後的10年中，人們在海平面和氣球所能達到的高度區域內，廣泛地研究了宇宙線的性質，發現除了緯度效應外，宇宙線還具有東西效應，即在同一觀測點來自西方的粒子多於從東方來的。東西效應表明初級宇宙線應帶正電荷，在地磁場作用下發生偏轉，導致強度的東西不對稱性。

在發現正電子的同時，也發現了電磁級聯簇射，它是高能電子或γ光子在空氣或其他物質中，經過多次電磁作用，產生大量次級正負電子和γ光子的過程。不久，發現了廣延大氣簇射現象，它是能量高於1013ev的宇宙線強子在大氣層頂部與原子核作用，產生大量次級強子，這些強子繼續作用形成的核級聯過程。在這個過程中，π0介子衰變成的2γ光子，接着很快形成電磁級聯簇射。這樣的兩種級聯過程在大氣中所構成的現象被叫做廣延大氣簇射。

在接近海平面的次級宇宙線可分為軟硬兩種成分。軟成分經過10釐米厚的鉛，幾乎全部被吸收，主要是電子和γ光子；硬成分可以穿透很厚的物質層，主要是x子，x子是1937年在宇宙線中利用雲室發現的。　第二次世界大戰後，實驗技術和儀器得到了迅速的發展。如新型計數器、新的電子儀器、電子靈敏核乳膠，更精密的雲室和能夠帶更重儀器到更高高空的氣球。用這類儀器進一步研究了電磁級聯簇射和核級聯過程，在宇宙線中發現了 π介子、k介子、±0、、和ξ-超子等。對高能宇宙線在雲室和核乳膠中產生的核作用也給出了很好的結果，發現了噴注現象。

1957年人造衞星的成功發射為日地空間宇宙線現象的研究開創了新紀元。藉助各種空間探測束，發現了範艾倫輻射帶，並對初級宇宙線的成分給出了更精確的結果。

宇宙線的觀測根據研究對象的不同，分為高空、高山和地下觀測。探測裝置的種類也很多，有云室、核乳膠、乳膠室、閃爍計數器、多絲室和核物理以及高能物理實驗中使用的各種探測裝置等，空間運載工具有氣球、人造衞星、宇宙飛船等。

中國的宇宙線研究開始於1951年。1954年在王淦昌、肖健等的領導下，在雲南落雪山（3180米）建立了宇宙線實驗站。1957年在落雪山和北京白家?建立了兩個宇宙線強度觀測台站。60年代中期，在張文裕和肖健領導下，在落雪山附近海拔3220米山峯上建成了一個新的高山站，它的雲室組是當時世界上規模最大的雲室組之一。利用這些設備，觀測記錄了宇宙線強度，並開展了多方面的宇宙線高能物理的研究。如在60年代初研究100gev以上高能宇宙線強子同輕核作用，比較早地給出了雙噴注現象。1972年獲得了一個可能的重質量帶電粒子事例，估計質量大於 12倍質子質量，壽命長於10-9秒，電荷可能為整數，也可能為2/3、1/3等分數。

隨着加速器能量的提高，宇宙線物理研究的重點逐漸轉向宇宙線天體物理。為了在高空觀測初級宇宙線的現象，開展宇宙線高能天體物理，1977年開始發展高空科學氣球系統，並首次於1984年在中國成功地觀測了蟹狀星雲脈衝星。為了開展超高能宇宙線核作用的研究，1977年在西藏甘巴拉山（5500米）建立了高山乳膠室， 用以研究1013～1016ev以上的超高能宇宙線的作用現象。它是世界上最高的高山乳膠室，也是世界上最大規模的高山乳膠室之一。已取得一些有意義的科研成果。

參考書目　s.hayakawa，cosmic ray physics，interscience，newyork，1969.　o.c.allkofer，introduction to cosmic radiation，verlag karl thiemig， munich，1975.