宇宙射線產生了比預計更多的緲子

■位於阿根廷的 Pierre Auger Observatory (PAO) 發現超高能宇宙射線會產生比預期更多的緲子。這顯示目前的理論似乎還有不足的地方。

(Courtesy: Pierre Auger Observatory)
(Courtesy: Pierre Auger Observatory)

撰文|陳勁豪

儘管人類可以把質子加速到相當高的能量來進行許多實驗與精密測量,但是比起宇宙所能夠提供的超高能粒子,能量還是差了一大截。

目前,人造加速器能夠把質子加速到的最高能量是位於瑞士的大強子對撞機 (Large Hadron Collider, LHC),約可以把質子加速到6.5TeV,(TeV = 10的12次方 eV,或是一兆電子伏特)。但是射入地球的超高能宇宙射線的能量,能量可以達到EeV的等級,也就是10的18次方電子伏特,或是一百萬兆電子伏特,遠遠高過LHC所能提供的能量。

這些超高能宇宙射線的主要成份是質子。當這些超高能宇宙射線射入大氣層中,會與空氣中的原子核作用(空氣主要是由氮分子與氧分子所構成),而產生大量的低能量粒子(想像一個高速的子彈打碎一個大西瓜的樣子)。

產生出的低能量粒子中,主要是由正負電子與 pi 介子所組成。而 pi 介子會很快衰變成為緲子。因此在地面上架設偵測器,仔細測量電子,正電子與緲子的產量,可以回推出超高能宇宙射線碰撞空氣粒子時的能量。

但是為了能夠有效估計碰撞時的能量,物理學家需要依靠理論模擬來協助他們重建這些超高能宇宙射線(能量為6-16EeV)的事件。前面提到超高能宇宙射線的能量約是 LHC 能量的百萬倍,但是當碰撞的時候,由於空氣中的粒子約可以視為是靜止不動,所以宇宙射線碰撞時的質心能量,大概是 LHC 對撞時的質心能量的十倍,大約是110-170TeV。因此物理學家就把 LHC 實驗用來描述碰撞情形的數值模擬程式作外推,用這個來作為作為質心能量高於 LHC 能量十倍左右時的比較基準。

位於阿根廷的 Pierre Auger Observatory (PAO) 佔地3000平方公里,可以仔細偵測超高能宇宙射線碰撞時所產生的正負電子與緲子。他們研究了不同射入角度的超高能宇宙射線所產生的電子與緲子數量,並與模型進行比對。他們發現這些數值模型可以正確描述正負電子的數量,但是卻低估了緲子的數量,至少低估30%。由於緲子幾乎都是由 pi 介子衰變而來,這表示這些數值模型似乎在描述更高質心對撞能量的反應時,對 pi 介子的生成機制部份還有不足的地方

那麼要到什麼時候,科學家才能在實驗室仔細測量質心對撞能量 100TeV 的粒子生成呢?目前物理學家正在評估下一代原型加速器的可行性 (Future Circular Collider, FCC)。如果一切依照規劃進行,那麼大約在2040年左右,我們就有可能可以在加速器中測量到類似能量的對撞事件,進而更精準的控制模型中的參數。

原始論文:
Testing Hadronic Interactions at Ultrahigh Energies with Air Showers Measured by the Pierre Auger Observatory
A. Aab et al. (Pierre Auger Collaboration)
Phys. Rev. Lett. 117, 192001 – Published 31 October 2016

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作者:陳勁豪 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。2011年於美國紐約州立石溪大學(SUNY at Stony Brook)取得博士學位,研究主題為相對論性重離子碰撞(Relativistic Heavy Ion Collision)。長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯。

 

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