犹他大学的天体物理学家和望远镜阵列探测到了能量超出理论极限的宇宙射线，挑战了对粒子物理学的现有理解。这些发现，包括Oh-My-God和Amaterasu粒子，指向未知的宇宙现象，是正在进行的研究的焦点。

　　第二个啊除了Oh-My-God粒子之外，新命名的天照粒子加深了罕见的超高能量宇宙射线的起源、传播和粒子物理学的奥秘。

　　1991年，犹他大学的“苍蝇之眼”实验发现了迄今为止观测到的能量最高的宇宙射线。这种宇宙射线的能量震惊了天体物理学家，后来被称为“我的上帝”粒子。我们的星系中没有任何东西有能力产生这种粒子，而且这种粒子的能量比从其他星系传播到地球的宇宙射线理论上可能产生的能量还要大。简单地说，粒子不应该存在。

　　阿斯特罗nomical奥秘

　　从那以后，望远镜阵列已经观测到30多条超高能量宇宙射线，尽管没有一条接近“我的上帝”级别的能量。目前还没有观测到它们的起源，也没有发现它们是如何到达地球的。

　　艺术家的插图，由望远镜阵列实验的表面探测器阵列观测到的极具能量的宇宙射线，名为“天照素粒子”。来源:大阪市立大学/L-INSIGHT，京都大学/龙介竹重

　　2021年5月27日，望远镜阵列实验探测到了第二高的极能宇宙射线。这个亚原子粒子的能量为2.4 x 1020eV，相当于一块砖从腰高砸到你的脚趾。由犹他大学(U)和东京大学领导，望远镜阵列由507个地面探测器站组成，排列在一个正方形网格中，覆盖了700平方公里(~270英里)，位于犹他州西部沙漠的三角洲外。这一事件触发了望远镜阵列西北地区的23个探测器，溅起了48平方公里(18.5平方英里)的水。它的到达方向似乎来自于局部虚空，一个与银河系接壤的空旷空间。

　　“这些粒子的能量如此之高，它们不应该受到星系和星系外磁场的影响。你应该能够指出它们来自天空中的哪里，”约翰·马修斯说，他是美国大学望远镜阵列的联合发言人，也是这项研究的合著者。“但在‘哦，我的上帝’粒子和这个新粒子的情况下，你追踪它的轨迹到它的源头，没有任何高能量足以产生它。这就是神秘之处——到底发生了什么?”

　　天照素粒子

　　在他们于2023年11月24日发表在《科学》杂志上的观察中，一个国际研究人员合作描述了超高能宇宙射线，评估了它的特征，并得出结论，这种罕见的现象可能遵循科学未知的粒子物理学。研究人员将其命名为天照素粒子，以纪念日本神话中的太阳女神。Oh-My-God和Amaterasu粒子是用不同的观测技术探测到的，证实了虽然罕见，但这些超高能量事件是真实存在的。

　　艺术家对超高能量宇宙射线天文学的说明，以澄清与受电磁场影响的较弱宇宙射线相反的极端能量现象。来源:大阪市立大学/京都大学/竹重龙之介

　　“这些事件似乎来自天空中完全不同的地方。这并不是说有一个神秘的来源，”约翰·贝尔茨说，他是美国大学的教授，也是这项研究的合著者。“它可能是时空结构中的缺陷，碰撞宇宙弦。我的意思是，我只是把人们想出的疯狂想法吐出来，因为没有一个传统的解释。”

　　大自然的粒子加速器

　　宇宙射线是剧烈的天体事件的回声，这些事件将物质剥离成亚原子结构，并以接近光速的速度在宇宙中抛射。从本质上讲，宇宙射线是由正质子、负电子或整个原子核组成的能量范围很广的带电粒子，它们穿越太空，几乎不间断地降落到地球上。

　　宇宙射线撞击地球上层大气，将氧气和氮气的核心炸开，产生许多次级粒子。这些粒子在大气中移动很短的距离，并重复这个过程，形成数十亿次粒子的阵雨，散射到表面。这个次流星雨的足迹是巨大的，需要探测器覆盖像望远镜阵列一样大的区域。表面探测器利用一套仪器为研究人员提供每条宇宙射线的信息;信号的时间显示了它的轨迹，击中每个探测器的带电粒子的数量揭示了主粒子的能量。

　　因为粒子带电荷，所以它们的飞行路径就像弹球机里的球，它们在宇宙微波背景的电磁场中曲折前进。几乎不可能追踪大多数宇宙射线的轨迹，它们位于能量谱的中低端。即使是高能宇宙射线也会被微波背景扭曲。带有“哦，我的上帝”和“天照照”能量的粒子在星系间空间相对不弯曲地爆炸。只有最强大的天体事件才能产生它们。

　　“人们认为能量大的东西，比如超新星，远没有足够的能量来做到这一点。你需要大量的能量，非常高的磁场来限制粒子加速，”马修斯说。

　　超高能量宇宙射线之谜

　　超高能量宇宙射线必须超过5 × 1019电子伏特。这意味着单个亚原子粒子的动能相当于大联盟投手的快球，其能量是任何人造粒子加速器所能达到的数千万倍。天体物理学家计算出这一理论极限，即所谓的格雷森-扎茨宾-库兹明(Greisen-Zatsepin-Kuzmin, GZK)截止点，作为质子在微波背景辐射相互作用消耗能量之前长距离运动所能保持的最大能量。已知的候选源，如活动星系核或吸积盘发射粒子射流的黑洞，往往距离地球超过1.6亿光年。新粒子的2.4 x 1020 eV和Oh-My-God粒子的3.2 x 1020 eV很容易超过截止值。

　　研究人员还分析了宇宙射线的组成，以寻找其起源的线索。较重的粒子，比如铁原子核，比由氢原子质子组成的较轻的粒子更重，带更多的电荷，在磁场中更容易弯曲。这种新粒子很可能是质子。粒子物理学表明，能量超过GZK截止点的宇宙射线太强大，以至于微波背景无法扭曲其路径，但回溯其轨迹指向真空。

　　“也许磁场比我们想象的更强，但这与其他观察结果不一致，这些观察结果表明，磁场的强度不足以在10的20次方电子伏特能量下产生显著的曲率，”贝尔兹说。“这真是个谜。”

　　扩大研究和望远镜阵列

　　望远镜阵列在探测超高能量宇宙射线方面具有独特的定位。它位于大约1200米(4000英尺)的高度，这是二次粒子最大限度发展的最佳海拔点，但在它们开始衰变之前。它位于犹他州西部沙漠，在两个方面提供了理想的大气条件:干燥的空气至关重要，因为湿度会吸收探测所需的紫外线;该地区的黑暗天空是必不可少的，因为光污染会产生太多的噪音，使宇宙射线变得模糊。

　　天体物理学家仍然对这种神秘现象感到困惑。望远镜阵列正在扩建中，他们希望这将有助于破案。一旦完成，500个新的闪烁体探测器将扩展望远镜阵列，将在2900平方公里(1100平方英里)的范围内取样宇宙射线引起的粒子阵雨，面积几乎与罗德岛一样大。更大的足迹有望捕捉到更多的事件，从而揭示正在发生的事情。

　　有关这一发现的更多信息:地球被未知的高能粒子撞击

　　参考文献:2023年11月23日，《科学》，“由表面探测器阵列观测到的极高能宇宙射线”。DOI: 10.1126 /科学。abo5095SHARE推特REDDIT电子邮件分享

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