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宇宙射线

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宇宙通量与粒子能量

宇宙射线是高能辐射的一种，主要源自太阳系[1]以外，甚至来自遥远的星系。[2] 在撞击地球大气层时，宇宙射线可以产生次级粒子簇射，它们有时会到达地球表面。宇宙射线主要由高能质子和原子核组成，它们要么来自太阳，要么来自太阳系之外。来自费米太空望远镜 (2013年) 的数据被认为是很大一部分初级宇宙射线来源于超新星爆炸的证据。 2018年对来自 blazar TXS 0506+056的中微子和γ射线的观测显示活动星系核似乎也产生宇宙射线。[3][4]

1 词源编辑

术语射线在某种程度上是源于历史偶然的用词不当，因为宇宙射线起初被错误地认为主要是电磁辐射。在常见的科学用法中，[5] 具有内禀质量的高能粒子被称为“宇宙”射线，而光子作为电磁辐射的量子(因此没有内禀质量)则以它们的通用名为人所知，例如γ射线或者x射线，这取决于光子的能量。

2 构成编辑

在起源于地球大气层之外的初级宇宙射线中，大约99%是常见原子的原子核(电子层被去除)，大约1%是孤立的电子(类似于贝塔粒子)。在原子核中，大约90%是简单的质子(即氢原子核)；9%是阿尔法粒子，也就是氦核；1%是较重元素的原子核，被称为HZE离子。 这些分数在宇宙射线的能量范围内变化很大。[6] 很小一部分是反物质的稳定粒子，例如正电子或反质子。剩余的这部分粒子的精确性质是一个活跃的研究领域。在一次从地球轨道对反阿尔法粒子的积极搜索中，我们未能发现它们。[7]

3 能量编辑

宇宙射线实际上引起了人们极大的兴趣，这是因为它们对处于大气层和磁场保护之外的微电子元件和生命造成的损害，而且从科学的角度来看，因为最高能的超高能宇宙射线（简称UHECRs）的能量已经被观察到接近 3 × 1020 eV,[8] 这大约是被大型强子对撞机所加速的粒子的能量的4000万倍。[9] 人们可以证明如此巨大的能量可以通过活动星系核的加速离心机制来达到。能量最高的超高能宇宙射线拥有50焦耳的能量[10]， 这相当于一颗运动速度为90千米每小时（约56英里每小时） 的棒球的动能。由于这些发现，人们对研究能量更高的宇宙射线产生了兴趣。[11] 然而，大多数宇宙射线没有这样的极端能量；宇宙射线的能量分布的峰值在0.3 gigaelectronvolts (4.8×10−11 joules)。[12]

4 历史编辑

在亨利·贝克勒尔于1896年发现放射性之后，人们普遍认为空气的电离仅仅是由来自地下的放射性元素或它们所产生的放射性气体或氡的同位素的辐射所导致的。[13] 在从1900年到1910年的十年间，在离地面越来越高的高度上测得的电离率的增加可以解释为由于其中的空气吸收了电离辐射。[14]

4.1 发现

1909年， 西奥多·伍尔夫开发了一个静电计，这是一种测量密封容器内离子产生速率的装置。他用这种静电计证明了埃菲尔铁塔顶部有比底部更高的辐射水平。然而，他发表在Physikalische Zeitschrift的论文没有被广泛接受。1911年，多梅尼科·帕西尼观察到了湖面上方、海面上方相比水面下三米的电离速率的变化。帕西尼从水下放射性的减少中得出结论：电离的某一部分一定是由地球放射性以外的其他来源造成的。[15]

1910年，帕西尼在做测量。

1912年， 维克多·赫斯携带着三个高精度伍尔夫静电计[16] 进行海拔5300米的自由气球飞行。他发现电离率比地面上升了大约四倍。[16] 赫斯通过在日全食期间用气球升空排除了太阳是辐射源的可能性。在月球阻挡了太阳的大部分可见辐射的情况下，赫斯仍然测量到了随海拔一起上升的辐射。[16]他的结论是：“这些观测结果看起来最有可能的解释就是拥有极高穿透力的辐射从上方进入我们的大气层。”[17] 在1913-1914年期间，沃纳·科尔斯特通过测量海拔9千米处电离焓率的增加证实了维克多·赫斯的早期结果。

由赫斯在1912年（左）和科尔斯特（右）测量的电离随海拔的增加而增加

赫斯在1936年由于他所做出的发现被授予诺贝尔物理学奖。[18][19]

赫斯的气球飞行于1912年8月7日进行。纯属巧合，整整100年后的2012年8月7日，火星科学实验室的探测车利用它的辐射评估探测器设备（简称RAD）第一次开始测量另一个行星上的辐射水平。2013年5月31日，美国航天局科学家报告称 载人火星任务可能涉及比以前人们所认为的更大的辐射危险，这一结论是基于火星科学实验室的辐射评估探测器于2011-2012年从地球前往火星途中所探测到的高能粒子辐射数量。

赫斯在他于1912年的气球飞行后降落。

4.2 识别

布鲁诺·罗西 写道:

在20世纪20年代晚期和30年代早期， 进入大气层最高层或沉入深水中的的气球所携带的自记录验电器技术被德国物理学家Erich Regener及其团队提升到了空前的完美程度。我们将一些对宇宙射线离子化与海拔和深度的函数关系的最精确的测量归功于这些科学家。[20]

欧内斯特·卢瑟福在1931年说道：“多亏了密立根教授的精细实验以及雷根教授那更深远的实验，我们现在第一次得到了这些辐射在水中的吸收曲线，我们（在进一步的研究中）可以安全地依赖它”。[21]

在20世纪20年代，宇宙射线这个术语是由罗伯特·密立根提出的，他测量了宇宙射线在水下深处、高海拔和全球范围内所导致的电离。密立根相信他的测量证明了初级宇宙射线是伽马射线，即高能光子。他提出了一个理论，认为这些初级宇宙射线是在星际空间中产生的，是氢原子融合成较重元素的副产品，次级电子则是由大气层中伽马射线的康普顿散射所产生的。但是后来，在1927年从爪哇岛乘船去荷兰途中，雅各布·克雷找到宇宙射线强度由热带向中纬度地区增加的证据，[22] 这也被后来的许多实验所证实。克雷的证据表明初级宇宙射线被地磁场偏转，因此必定是带电粒子，而不是光子。1929年，博特和科尔斯特发现了可以穿透4.1厘米黄金的带电宇宙射线粒子。[23] 来自密立根提出的星际聚变过程的光子不可能产生如此高能量的带电粒子。[来源请求]

1930年，布鲁诺·罗西预测了来自东方和西方的宇宙射线强度之间的差异，这取决于初级粒子的电荷——所谓的“东西向效应”。[24] 三个独立实验发现事实上来自西方的强度更大[25][26][27]，这证明大多数初级粒子都是带正电荷的。在1930年至1945年期间，各种各样的研究证实：初级宇宙射线主要是质子，而大气中产生的次级辐射主要是电子、光子和 μ介子。在1948年，用气球携带的核乳剂到接近大气层顶部所做的的观测表明，大约10%的初级粒子是氦核(阿尔法粒子)，1%是碳、铁和铅等更重的原子核。[28][29]

在对他的东西向效应测量设备进行测试时，罗西观察到两个相距很远的 盖革计数器几乎同时放电的速率大于预期的意外率。罗西在实验报告中写道"...看起来似乎记录设备偶尔会被非常大范围的粒子冲击，这导致计数器之间同时发生这种放电现象，这种同步甚至发生在了彼此相距很远计数器上。"[30] 1937年皮埃尔·奥格在不知道罗西早前的报告的情况下也发现了同样的现象，并对其进行了比较详细的调查。他的结论是：高能初级宇宙射线粒子与大气层中的空气原子核相互作用，引发一连串次级相互作用，最终产生大量到达地面的电子和光子。[31]

苏联物理学家谢尔盖·沃诺夫是第一个用气球将无线电探空仪携带到高空中进行宇宙射线读数的人。1935年4月1日，他反重合电路中用一对盖革计数器进行测量，以避免将次级射线计入其中。[32][33]

霍米 J·巴巴推导出电子正电子散射概率的表达式，这个过程现在被称为巴巴散射。他与沃尔特·海特勒合写的发表于1937年的经典论文描述了来自太空的初级宇宙射线如何与上层大气相互作用，并产生我们在地面观察到的粒子。巴巴和海特勒用伽马射线和正负电子对的级联产生解释了宇宙射线簇射的形成。[34][来源请求][35]

4.3 能量分布

麻省理工学院罗西宇宙射线小组的成员于1954年最早利用大规模空气簇射的密度取样与快速计时技术对超高能初级宇宙射线的能量和到达方向所进行了测量。[36] 实验用了11个闪烁探测器，这些探测器被布置在哈佛学院天文台阿加西站内一个直径为460米的圆形区域的地面上。从这项工作以及世界各地进行的许多其他实验中，我们已经知道初级宇宙射线的能谱超过1020电子伏特。一项名为奥格项目的大型空气簇射实验目前在阿根廷的潘帕斯草原上由一个国际物理学家联合会运作。该项目最初的领导者为来自芝加哥大学的1980年诺贝尔物理学奖获得者詹姆斯·克罗宁和来自利兹大学的艾伦·沃森，后来则由国际皮埃尔·奥格合作组织的其他科学家所领导。他们的目的是探索最高能初级宇宙射线的性质和到达方向。[37] 由于理论上的格雷森-扎特森-库兹明极限，这些结果有望对粒子物理和宇宙学产生重要的影响。格雷森-扎特森-库兹明极限是来自远距离位置（大约1.6亿光年以外）的宇宙射线的能量的一个理论上的极限，这个极限出现在1020电子伏特以上，它来源于宇宙射线与宇宙大爆炸所遗留下的光子之间的相互作用。目前，皮埃尔·奥格天文台正在进行升级以提高其精确度，并为尚未确认的最强宇宙射线的来源寻找证据。

1967年，麻省理工学院的一项在OSO-3号卫星上进行的实验最终在初级宇宙辐射中发现了高能伽马射线（大于50兆电子伏特的光子）。[38] 银河系和银河系外起源的成分在远低于1%的初级带电粒子强度下被分别识别。此后，许多卫星伽马射线观测站绘制了伽马射线天空。最近的一个是费米天文台，它制作了一张地图，显示了我们星系中离散和扩散源所产生的伽马射线强度的一条窄带，以及分布在天球上的许多点状银河系外源。

5 来源编辑

早期对宇宙射线来源的推测包括1934年巴德和兹维基的提议，他们推测宇宙射线起源于超新星。[39] 1948年贺拉斯 W·巴布科克则提议磁性变星可能是宇宙射线的来源。[40] 随后，在1951年，关户弥太郎等人确定了蟹状星云是宇宙射线的一个来源。[41] 从那时起，宇宙射线的各种潜在来源开始浮出水面，其中包括超新星、活动星系核、类星体和伽马射线暴。[42]

行星际空间的电离辐射源

冲击波前加速（超新星和活动星系核的理论模型）：入射质子在两个冲击波前之间加速直至达到宇宙射线的高能量成分的能量

在后续实验的帮助下，科学家更有把握地确定了宇宙射线的来源。2009年，在国际宇宙射线会议（简称ICRC）上所发表的一篇出自皮埃尔·奥格天文台科学家之手的论文表明超高能宇宙射线（简称UHECRs）源自天空中非常靠近射电星系半人马座A的位置，尽管作者特别声明需要进一步的调查来证实半人马座A是宇宙射线的来源。[43] 然而，伽马射线暴和宇宙射线的发生率之间没有发现相关性，导致作者将来自伽马射线暴的能量为1 GeV – 1 TeV的宇宙射线流的上限设定为3.4 × 10−6 尔格每平方厘米。[44]

2009年，超新星据说被“锁定”为宇宙射线的来源，这是一个小组利用来自超大望远镜的数据所作出的发现。[45] 然而，这一分析在2011年受到来自PAMELA的数据的挑战，这些数据揭示了“【氢和氦原子核】的光谱形状是不同的，不能用单一的幂律来很好地描述”，这暗示了宇宙射线形成是一个更复杂的过程。[46] 然而，2013年2月，对费米伽马射线空间望远镜关于中性π介子衰变的观测数据的分析研究表明超新星确实是宇宙射线的来源，每次爆炸产生大约3 × 1042 –3 × 1043焦耳的宇宙射线。[47][47] 然而，超新星并不产生所有的宇宙射线，在更深入研究之前我们并不知道有多大一部分宇宙射线是由超新星产生的。[47] 激波阵面加速模型被用来解释超新星和活动星系核中的加速机制。

2017年，皮埃尔·奥格合作组织出版了关于最高能量宇宙射线到达方向的弱各向异性的观测结果。[48] 由于银河中心处于亏损区域，这种各向异性可以解释为最高能的宇宙射线在银河系外起源的证据。这意味着一定存在从银河系源到银河系外源的能量转换，并且可能有不同类型的宇宙射线源对不同的能量范围产生贡献。

6 类型编辑

宇宙射线可以分为三种类型， 分别是银河系宇宙射线 （简称GCR)和 银河系外宇宙射线，这两者即为源自太阳系外的高能粒子，以及太阳系能高能粒子，也就是由太阳所发射的高能粒子（主要是质子），它们主要出现在太阳粒子事件中。然而，“宇宙射线”一词通常仅指来自太阳系外的粒子流。

初级宇宙粒子与大气分子相互碰撞。

宇宙射线一开始是初级宇宙射线，它最初是在各种天体物理过程中产生的。初级宇宙射线主要由质子和阿尔法粒子（99%），另外还包含少量较重的原子核（约1%）以及极小比例的正电子和反质子。[49] 次级宇宙射线来自于初级宇宙射线撞击大气时的衰变，其中包括光子、轻子和强子，例如电子、正电子、 μ子和π介。后三种粒子最初正是在宇宙射线中被发现的。

6.1 初级宇宙射线

初级宇宙射线主要来自太阳系以外，有时甚至是银河系以外。当它们与地球大气层相互作用时，会转化为次级粒子。氦原子核与氢原子核的质量比为28%，这类似于这些元素的原初元素丰度比例（24%）。[49] 剩余部分由其他较重的原子核组成，这些原子核是典型的核合成过程的终产物，主要为锂、铍和硼。这些原子核出现在宇宙射线中的丰度（约为1%）要比在太阳大气中的丰度高得多，在太阳大气中它们的丰度只有大约氦的10−11。由比氦重的带电原子核组成的宇宙射线被称为HZE离子。由于HZE离子的高电荷和大质量，尽管它们相对稀少，它们对宇航员在太空中所受的辐射剂量的贡献却是很显著的。

这种丰度差异是次级宇宙射线形成方式的结果。碳和氧原子核与星际物质碰撞并通过一个叫做宇宙射线散裂的过程产生锂、铍和硼。散裂也跟铁原子核和镍原子核与星际物质碰撞而产生宇宙射线中的钪、钛、钒和锰离子有关。[50]

在高能时，宇宙射线的组成发生变化。较重的原子核在某些能量范围内有较大的丰度。目前的实验旨在更精确地测量高能情况下的宇宙射线成分。

初级宇宙射线反物质

卫星实验已经发现了初级宇宙射线中正电子和反质子存在的证据，它们占初级宇宙射线粒子的不到1%的比例。这些似乎不是来自大爆炸的大量反物质的产物，也不是宇宙中复杂的反物质。相反，它们似乎只由这两种基本粒子组成，它们是在高能过程中新产生的。

来自搭载在国际空间站上的目前正在运行的阿尔法磁光谱仪（简称AMS-02）的初步结果表明宇宙射线中的正电子没有方向性。2014年9月，数据量几乎为前者两倍的新结果在欧洲核子研究中心的一次演讲中被公布，并发表在《物理评论快报》上。[51][52] 文章报道了高达500GeV的正电子比例的新测量结果，显示当能量约为275±32 GeV时正电子比例在总体的电子+正电子事件中达到大约为16%的峰值。在更高的能量下（直到高达500GeV），正电子与电子的比率又开始下降。正电子的绝对通量也在500GeV之前开始下降，但在远高于电子能量时达到峰值，电子在约10GeV达到峰值。[53] 这些结果被解释为是由于大规模暗物质粒子湮灭事件中产生了正电子。[54]

宇宙射线反质子也具有比它们的正物质对应物（质子）高得多的平均能量。他们到达地球时的特征能量最大值为2 GeV，这表明它们的产生过程于与宇宙射线质子有着根本的不同，宇宙射线质子平均只有六分之一的能量。[55]

在宇宙射线中没有复杂的反物质原子核（例如反氦核，即反α粒子）存在的证据。科学家们正在积极寻找它们。AMS-02的原型AMS-01于1998年6月搭乘STS-91的发现号航天飞机飞入太空。基于探测反氦的零结果，AMS-01确定了反氦与氦通量比的上限为1.1×10-6。[56]

The moon in cosmic rays

The moon's muon shadow
The Moon's cosmic ray shadow, as seen in secondary muons detected 700 m below ground, at the Soudan 2 detector
The moon as seen in gamma rays
The Moon as seen by the Compton Gamma Ray Observatory, in gamma rays with energies greater than 20 MeV. These are produced by cosmic ray bombardment on its surface.[10]

6.2 次级宇宙射线

当宇宙射线进入地球大气层时，它们会与原子和分子碰撞，主要是氧气和氮气。这种相互作用产生了一系列较轻的颗粒，即下落的所谓的空气簇射次级辐射，其中包括X射线、μ子、质子、α粒子、π介子、电子和中子。[57] 所有产生的颗粒都保持在初级粒子路径的约一度内。

在这种碰撞中产生的典型粒子是中子和带电介子，例如正或负π介子和K介子。其中一些随后衰变为μ子和中微子，后两者能够到达地球表面。一些高能μ子甚至穿透一段距离进入浅层矿井，大多数中微子穿越地球而没有发生进一步的相互作用。其他粒子衰变成光子，随后产生电磁级联。因此，除光子以外，电子和正电子通常在空气簇射中占主导地位。这些粒子以及μ子可以很容易地被许多类型的粒子探测器探测到，例如云室、气泡室、水-切伦科夫探测器或闪烁探测器。在多个探测器中同时观察到次级粒子簇射表明所有粒子都来自该事件。

通过伽马射线望远镜观测高能伽马射线发射可以间接探测到撞击太阳系中其他行星的宇宙射线。它们与放射性衰变过程的区别在于它们拥有高于约10MeV的高能量。

6.3 宇宙射线通量

空间环境概观显示了太阳活动与银河宇宙射线之间的关系[12]

上层大气中入射的宇宙射线的通量取决于太阳风，地球磁场和宇宙射线的能量。在与太阳相距约94AU的距离处，太阳风经历从超音速到亚音速的过渡，这个过渡称为终止冲击。终止冲击和太阳顶层之间的区域充当了宇宙射线的屏障，将较低能量（≤1GeV）的宇宙射线的通量降低约90％。然而，太阳风的强度不是恒定的，因此科学家已经观察到宇宙射线通量与太阳活动相关。

此外，地球的磁场使宇宙射线从其表面偏转，从而产生通量取决于纬度、经度和方位角的观测结果。

上述所有因素的综合作用对地球表面宇宙射线通量做出了贡献。下表列出了到达地球的粒子频率[58] ，它们是从到达地面的较低能量辐射中推断出来的。[59]

粒子能量 (eV) 粒子到达率 (m−2s−1)
1×109 (GeV) 1×104
1×1012 (TeV) 1
1×1016 (10PeV) 1×10−7 (一年数次)
1×1020 (100EeV) 1×10−15 (一个世纪一次)

过去，人们认为宇宙射线通量随着时间的推移保持相当稳定。然而，最近的研究表明，在过去的四万年中，宇宙射线通量在千年时间尺度上发生了一倍半到两倍的变化。[60]

星际空间中宇宙射线通量的能量大小与其他深空能量非常相似：宇宙射线能量密度平均约为每立方厘米星际空间1电子伏，即1eV/cm3，这与可见星光的能量密度（0.3eV/cm3 ）、银河磁场能量密度（假设3微高斯。约为0.25eV/cm3）或宇宙微波背景辐射能量密度（约为0.25eV/cm3）相差无几。[61]

7 探测方法编辑

空气切伦科夫望远镜VERITAS阵列

探测方法主要有两类。第一类是用气球携带的仪器直接探测太空或高空的初级宇宙射线。第二类是间接探测次级粒子，即高能量的大范围空气簇射。虽然已经有了在太空中和气球上探测空气簇射的提议和原型，但目前正在运行的高能宇宙射线实验是在地面上进行的。一般来说，直接探测比间接探测更精确。然而，宇宙射线通量随着能量的增加而减少，这阻碍了对1PeV以上能量范围的宇宙射线的直接探测。直接探测和间接探测都是通过几种技术实现的。

7.1 直接探测

国际空间站、卫星以及高空气球上的所有类型的粒子探测器都可以用作直接探测。然而，重量和尺寸限制了我们对探测器的选择。

直接检测技术的一个例子是由罗伯特·弗莱舍、P. 布福德·普莱斯和罗伯特 M·沃克开发的用于高空气球的一种方法。[62] 在这种方法中，透明塑料片（如0.25毫米Lexan聚碳酸酯）被堆叠在一起，直接暴露在太空或高海拔的宇宙射线中。核电荷导致塑料中的化学键断裂或电离。由于宇宙射线的高速度，在塑料叠层的顶部电离较少。随着宇宙射线被堆叠所减速，电离沿路径增加。将所得塑料片“蚀刻”或缓慢溶解在温热的有腐蚀性的氢氧化钠溶液中，以缓慢的已知速率除去表面材料。有腐蚀性的氢氧化钠沿着电离塑料的路径以更快的速率溶解塑料。 最终结果是塑料中的锥形蚀刻坑。 在高倍显微镜（通常1600倍油浸）下测量蚀刻坑，并且将蚀刻速率绘制为堆叠塑料中的深度的函数。

这种技术为1到92号每种原子核产生一条独特的曲线，可以识别穿过塑料叠层的宇宙射线的电荷和能量。沿着路径的电离越广泛，电荷越高。除了用于宇宙射线探测之外，该技术还被用于探测作为核裂变产物的原子核。

7.2 间接探测

目前有几种正在使用的地面探测宇宙射线的方法，它们可分为两大类：利用各种类型的粒子探测器探测形成大范围空气簇射（简称EAS）的次级粒子，以及探测由大气中的大范围空气簇射所发射的电磁辐射。

由粒子探测器制成的大范围空气簇射阵列测量通过它们的带电粒子。 EAS阵列可以观察到大范围的天空，并且可以在90％以上的时间内处于活动状态。然而，与空气切伦科夫望远镜相比，他们不太能够将背景效应与宇宙射线分开。大多数最先进的EAS阵列都采用塑料闪烁体。水（液体或冷冻）也用作检测介质，颗粒通过该检测介质并产生切连科夫辐射使得其可被探测到。[63] 因此，几个阵列使用水/冰-切伦科夫探测器作为闪烁体的替代或补充。通过几个探测器的组合，一些EAS阵列能够区分μ子和较轻的次级粒子（光子、电子、正电子）。次级粒子中的μ子比例是估计初级宇宙射线的质量成分的一种传统方式。

一种仍然用于演示目的的次级粒子检测的历史方法涉及到使用云室来检测当π介子衰变时产生的次级μ子。[64] 特别是云室可以用容易获得的材料来建造，甚至可以在高中实验室中建造。涉及气泡室的第五种方法可用于检测宇宙射线粒子。[65]

最近，普及的智能手机相机中的CMOS器件已经被提出作为用于检测来自超高能宇宙射线（简称UHECRs）的空气簇射的实用分布式网络。[66]第一个响应这个主张的应用程序是CRAYFIS（Cosmic RAYs Found In Smartphones）实验。[67][68]然后，在2017年，CREDO（Cosmic Ray Extremely Distributed Observatory）Collaboration发布了其Android设备完全开源应用程序的第一个版本。[69] 从那时起，这种合作吸引了全世界许多科学机构、教育机构和公众的兴趣和支持。[70] 未来的研究必须表明这种新技术可以在哪些方面与专用EAS阵列竞争。

第二类中的第一种探测方法称为空气切伦科夫望远镜，旨在通过分析它们的切伦科夫辐射来探测低能（<200 GeV）宇宙射线，对于宇宙射线而言它们所发出的切伦科夫辐射是伽马射线，因为它们运动速度比作为媒介的大气中的光速要更快。[71] 虽然这些望远镜非常善于区分背景辐射和宇宙射线来源，但它们只能在没有月亮照射的晴朗夜晚才能运行良好，同时视野也非常小，并且仅在极短时间内有效。

第二种方法检测由穿过大气的粒子簇激发大气中的氮而产生的氮荧光。这种方法对于最高能量的宇宙射线是最精确的，特别是当与EAS粒子探测器阵列结合起来时。[72] 由于是基于对切伦科夫光的探测，这种方法的使用仅限于在晴朗的夜晚。

另一种方法是探测空气簇射发出的无线电波。这种技术具有与粒子探测器相似的高占空比。正如各种原型实验所显示的那样，这种技术的准确性在过去几年中有所提高，并且至少在高能量下可能成为探测大气契伦科夫光和荧光以外的替代方法。

8 效果编辑

8.1 大气化学的变化

宇宙射线使大气中的氮和氧分子发生电离，进而导致许多化学反应。宇宙射线也导致了在地球大气层中许多不稳定同位素的持续产生，例如碳14就是通过以下反应出现的:

n + 14N → p + 14C

宇宙射线使大气层中的碳14[73]水平在过去至少100,000年里保持大致不变（70吨），[来源请求] 一直到20世纪50年代初地面核武器试验开始。这在考古学中很重要，被用于放射性碳定年法。

初级宇宙射线的反应产物、放射性同位素半衰期和生产反应。  [74]

  • 氚 (12.3年): 14N(n, 3H)12C (宇宙射线散裂)
  • 铍-7 (53.3天)
  • 铍-10 (139万年): 14N(n,p α)10Be (宇宙射线散裂)
  • 碳-14 (5730年): 14N(n, p)14C (中子活化)
  • 钠-22 (2.6年)
  • 钠-24 (15小时)
  • 镁-28 (20.9小时)
  • 硅-31 (2.6小时)
  • 硅-32 (101年)
  • 磷-32 (14.3天)
  • 硫-35 (87.5天)
  • 硫-38 (2.84小时)
  • 氯-34 m (32分钟)
  • 氯-36 (300,000年)
  • 氯-38 (37.2分钟)
  • 氯-39 (56分钟)
  • 氩-39 (269年)
  • 氪-85 (10.7年)

8.2 在环境辐射中的作用

宇宙射线占地球上人类年辐射照射量的一小部分，对地球上的人来说平均为每年总共的3毫西弗中的0.39毫西弗（占总背景的13%）。然而，来自宇宙射线的背景辐射随着海拔的升高而增加，从海平面区域的每年0.3毫西弗到高海拔城市的每年1.0毫西弗，对于这些高海拔城市人口来说，宇宙辐射照射量占到总背景辐射照射量的四分之一。宇宙射线还为飞行长距离高空航线的机组人员带来每年额外的2.2毫西弗的辐射，几乎使他们受到两倍的的电离辐射总照射量。

年平均辐射照射量 (毫西弗)
辐射 联合国原子辐射影响科学委员会[75][76] 普林斯顿[77] 华盛顿州卫生部[78] 日本教育，文化，体育，科学和技术部[79] 备注
类型 来源 世界平均 典型范围 美国 美国 日本
自然 空气 1.26 0.2–10.0a 2.29 2.00 0.40 主要来自氡 (a)取决于室内氡气浓度
内部 0.29 0.2–1.0b 0.16 0.40 0.40 主要来自于食物中的放射性同位素（如40K和14C等等）(b)取决于食谱.
地球 0.48 0.3–1.0c 0.19 0.29 0.40 (c)取决于土壤成分和建筑材料
宇宙 0.39 0.3–1.0d 0.31 0.26 0.30 (d)总体随海拔增加而增加
部分和 2.40 1.0–13.0 2.95 2.95 1.50
人工l 药物 0.60 0.03–2.0 3.00 0.53 2.30
放射性坠尘 0.007 0 – 1+ - - 0.01 1963年达到峰值，1986年飙升；在核试验和事故现场附近仍然很高。
对于美国，放射性坠尘被纳入其他类别。
其他 0.0052 0–20 0.25 0.13 0.001 平均年度职业核辐射是0.7毫西弗；采矿工人暴露在更高的辐射下。
核电厂附近的人口每年额外受到约0.02毫西弗的辐射。
部分和 0.6 0 to tens 3.25 0.66 2.311
总和 3.00 0 to tens 6.20 3.61 3.81

数据收集于福岛第一核电站事故之前。联合国原子辐射影响科学委员会的人为数值来自日本国立放射科学研究所，后者总结了联合国原子辐射影响科学委员会的数据。

8.3 对电子器件的影响

宇宙射线有足够的能量来改变电子集成电路中电路零件的状态，导致出现瞬态错误（例如电子存储设备中的数据损坏或中央处理器的性能异常），通常被称为“软错误”。这对处于极高海拔的电子器件来说一直是一个问题，例如卫星。但是随着晶体管变得越来越小，宇宙射线对地面上的电子设备的影响也越来越引起人们的关注。[80] 美国国际商用机器公司于20世纪90年代的研究表明，计算机通常每个月每256兆字节内存中会经历一次宇宙射线引起的错误。[81] 为了缓解这个问题，英特尔公司提出了一种宇宙射线探测器，可以集成到未来的高密度微处理器中，允许处理器在宇宙射线事件发生后重复最后一个命令。[82]

2008年，飞行控制系统中的数据损坏导致了空客A330客机两次跌落数百英尺，并使得多名乘客和机组人员受伤。宇宙射线与其他可能导致数据损坏的原因被仔细调查，但最终宇宙射线被排除在外，因为可能性极小。[83]

2009-2010年的一次针对油门卡在打开位置的丰田汽车的高调召回可能是宇宙射线造成的。[84] 这种联系在播客节目Radiolab“比特翻转”一集中被讨论过。[85]

8.4 对航空航天旅行的意义

银河系宇宙射线是阻碍载人宇宙飞船星际旅行计划的最重要障碍之一。宇宙射线也对放置在外出探测器上的电子设备构成威胁。2010年，旅行者2号太空探测器船上发生的一次故障被归咎于一个翻转的比特，它可能是由宇宙射线引起的。航天器的物理或磁屏蔽等策略已经得到考虑，以尽量减少宇宙射线对电子设备和人类造成的损害。[86][87]

辐射剂量的比较，包括MSL上的RAD（2011-2013）从地球到火星旅行中检测到的量。[16][17][18]

在12 kilometres (39,000 feet)高的地方飞行时，喷气客机的乘客和机组人员暴露在辐射剂量至少为海平面处10倍的宇宙射线中。沿极地路线飞行的靠近地磁极的飞机面临着较高的风险。[88][89][90]

8.5 闪电中的角色

宇宙射线与闪电的电击穿有关系。有人提出，基本上所有闪电都是通过一个被称为“失控故障”的相对论性过程被触发的，根源是宇宙射线次级粒子。随后的闪电放电是通过“常规击穿”机制发生的。[91]

8.6 在气候变化中的假设角色

宇宙射线在气候中的作用是由爱德华 P·尼于1959年[92]、罗伯特 E·迪金森于1975年提出的。[93] 据推测，宇宙射线可能是过去主要气候变化和大规模灭绝事件的原因。阿德里安·梅洛特和米哈伊尔·梅德韦杰夫认为，海洋生物种群的6200万年周期与地球相对于银河系平面的运动以及接受宇宙射线照射的增加有关联。[94] 研究人员提出这和来自附近超新星的伽马射线轰炸可能会影响癌症和突变率，并且可能与地球气候的决定性变化以及奥陶纪的大规模灭绝有关。[95][96]

丹麦物理学家Henrik Svensmark持有如下有争议的观点：因为太阳周期调节着地球上的宇宙射线通量，它们将进而影响云的形成速度，并间接导致全球变暖。[97][98] Svensmark几个公然反对全球变暖的主流科学评估的科学家之一，导致人们担心宇宙射线与全球变暖有关的说法可能是意识形态偏见而不是基于科学。[99] 其他科学家强烈批评Svensmark工作草率且不自恰：一个例子是对云数据的调整，它低估了低层云数据而不是高层云数据的误差；[100] 另一个例子是“对物理数据的不正确处理”，导致图表不能显示他们声称想显示的相关性。[101] 尽管有Svensmark的相关断言，银河系宇宙射线并没有显示出对云量变化有统计学意义上的显著影响，[102] 并被证明与全球气温变化没有因果关系。[103]

8.7 可能的大规模灭绝因素

一些研究得出结论说邻近的超新星或一系列超新星将辐射水平大幅增加到对大型海生动物有害的程度从而导致了上新世海洋巨型动物灭绝事件。[104][105][106]

9 研究和实验编辑

下面列出了一些宇宙射线研究计划。

9.1 地面基地

  • 阿基诺巨型空气簇射阵列
  • 芝加哥空气淋浴阵列
  • chinese communists 中国共产党
  • 云
  • 微克
  • GRAPES-3
  • HAWC
  • 高能立体系统
  • 高分辨率蝇眼宇宙射线探测器
  • HEGRA
  • IceCube
  • KASCADE
  • 魔法
  • 墨西哥流浪乐队
  • 米拉格罗
  • CRIPT
  • NMDB
  • 皮埃尔·奥格天文台
  • 夸克奈特
  • 地球宇宙飞船
  • 望远镜阵列项目
  • 通卡实验
  • 真理
  • 华盛顿大面积时间重合阵列

9.2 卫星

  • 帕梅拉
  • 阿尔法磁光谱仪
  • 高级合成资源管理器
  • 旅行者1号 和 旅行者2号
  • 卡西尼——惠更斯
  • HEAO 1, HEAO 2, HEAO 3
  • 费米伽马射线太空望远镜
  • 太阳和日光层天文台
  • 星际边界探索者
  • 朗顿极限宇宙射线强度探测器

9.3 气球携带的

  • 贝丝
  • 先进的薄电离量热仪
  • 宇宙射线探测器
  • TIGER
  • 宇宙射线能量学和质量 (CREAM)
  • PERDaix
  • HEAT (High Energy Antimatter Telescope)

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