攝影蓋蒂圖片社

當Spencer Axani 昏昏沉沉地從床上起來登錄電子郵件時，他的家中很少有陽光。Axani 是特拉華大學的物理學助理教授，但他在這些清晨用來完善的并不是課程計劃或手稿。相反，他正在對關于他在 2016 年開發的名為CosmicWatch的手掌大小的探測器的源源不斷的消息進行深思熟慮的回應。

CosmicWatch 不是告訴時間，而是幫助世界各地的學生識別地球上最豐富和最神秘的粒子類型之一：宇宙射線。

雖然它們的名字可能讓人聯想到遙遠的太陽光束，但這些粒子根本不是光子(攜帶光的粒子)，而是高能粒子和原子核的混合物，每時每刻都從太空深處降落在地球上. 當它們撞擊地球大氣層時，它們會分解并衰變為像μ 子這樣的次級粒子，這些基本亞原子粒子與電子類似，但重 200 倍以上。

然而，盡管它們在全球范圍內無處不在，但科學家們仍然沒有弄清楚所有宇宙射線的起源。對于能量低于 10^18 eV(比大型強子對撞機光束更大，但不足以驅動 100 瓦燈泡)的更常見粒子，科學家們可以自信地將超新星作為起源點。然而，具有更高能量的粒子極為罕見，遠遠超出了已知的天體物理現象所能創造的任何東西。這意味著宇宙射線的來源可以揭示一種全新的物理學，Axani 說。

“雖然我們可能還不完全知道它們來自哪里，但我們可以使用它們，以及它們在撞擊我們的高層大氣時產生的次級粒子，來探索非常廣泛的物理學，”Axani 告訴大眾力學。“我們希望提高我們對中微子物理學的理解，尋找暗物質的跡象，甚至研究與我們的大氣層有關的陸地效應。”

小粒子，大探測器

2013 年，南極洲阿蒙森-斯科特南極站的冰立方實驗室。

圖片來源：FELIPE PEDREROS，ICECUBE/NSF

為了做到這一點，像 Axani 和南達科他州礦業與技術學院物理學助理教授Matthias Plum等科學家正在轉向各種尺寸的宇宙射線探測器。對于 Plum 來說，這意味著要使用巨大的探測器，比如阿根廷的 Pierre Auger 天文臺和南極的 IceCube 天文臺。

Plum 說，在捕捉稀有宇宙射線時，探測器的尺寸確實很重要。

“一個高能宇宙射線粒子每世紀大約落在一平方公里。”

“如果你只想測量中等高能粒子，幾平方公里就可以了，”普拉姆說。“但如果你想追求真正、真正最高[能量]的人，那么你就是在談論里程和里程。就像小國的大小一樣。”

普拉姆說，這是因為一個高能宇宙射線粒子每世紀大約落在一平方公里。為了在行動中抓住他們，你的網需要非常大。對于 Pierre Auger 天文臺，研究人員可能需要幾個小時才能在探測器陣列之間行駛。

世界各地的小而強大的探測器

Plum 說，手持探測器和大型探測器在本質上并沒有太大的不同。當宇宙射線穿過一個大探測器或小探測器時，它們會留下一個小小的旅程指紋，其中編碼了它們通過探測器的時間以及它們在這樣做時所擁有的能量。

通過對這些數據進行逆向工程，科學家們正在努力追查宇宙深處的宇宙射線的起源。

雖然 Axani 的項目沒有能力捕獲超高能粒子，但它仍然在幫助學生通過探測 μ 子親身了解這類物理方面發揮著重要作用。這些不起眼的手掌大小的探測器看起來像外部硬盤驅動器，制造成本僅為 100 美元，并且通過記錄 μ 子撞擊硅光電倍增管并閃爍小燈以提醒用戶來工作。世界各地的學生探索了地鐵站深處、飛機和氣球上的宇宙射線相互作用，甚至乘坐火箭進入地球大氣層。

“不是每個人都可以使用粒子加速器，但除非你住在地下幾公里，否則你可以使用高能粒子 [如 μ 子]，”Axani 說。

因為每個單獨的用戶都在制造這些探測器，而不是由一家公司大規模制造它們，所以 Axani 說需要故障排除的設備之間可能存在一些細微的差異，例如建造宜家桌子但放錯了一個螺絲。他說，歸根結底，這是該項目的一部分樂趣。

在特拉華大學擔任新職務時，Axani 說他很高興最終擴展這個項目，通過他所謂的“CosmicNet”以一種新的方式連接這些探測器及其用戶。這將允許用戶共享數據并更廣泛地發現世界各地的介子運動，這可以幫助好奇的用戶利用彼此的數據進行新的發現——例如，在太陽耀斑期間介子速率如何變化。

普拉姆說，隨著大大小小的宇宙射線探測器在未來幾年內都經歷了升級，它們甚至可能以新的方式進行合作，包括研究冰立方探測器的低能量區域。