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    Science

    宇宙线的第一场碰撞

    从高空气球到质子—氧核实验,物理学家如何理解来自宇宙的高能粒子

    宇宙线首次碰撞与向地面展开的空气簇射,AI 生成的艺术示意,尺度不按比例

    从高空气球到质子—氧核实验,物理学家如何理解来自宇宙的高能粒子

    一颗高能质子进入地球大气后,往往会在抵达地面之前与空气中的原子核发生碰撞。随后产生的粒子继续碰撞、衰变,形成横跨大片区域的空气簇射。地面探测器记录到的是这段复杂过程留下的粒子和光。要据此判断最初那颗粒子的能量与种类,就必须先知道,它在大气中经历了什么。

    2026 年 9 月 14 日,ATLAS 合作组在《物理评论快报》发表了一项质子—氧核碰撞研究。实验用大型强子对撞机的可控碰撞,测量与宇宙线撞击大气密切相关的粒子产生过程。它给出了一个明确结果:接受检验的模型,没有一个能够同时解释全部测量。理解这项工作的意义,需要从宇宙线研究如何走到今天讲起。

    从发现天外辐射,到依靠大气观测宇宙

    1912 年,维克托·赫斯乘气球升到约 5300 米高空,测量空气中的电离。仪器记录的电离率在高空显著增加,支持了辐射从大气上方进入地球的判断。此后,宇宙线成为研究高能粒子的重要来源。正电子以及其他多种粒子的发现,都与宇宙线实验有关。直到高能加速器兴起,物理学家才逐渐能够在实验室里系统地制造和研究这些过程。CERN 科学史

    与此同时,研究者开始理解地面上的粒子从何而来。1938 年,皮埃尔·奥热及同事在阿尔卑斯山区布设探测器,发现相隔数十米的仪器仍会同时记录到粒子。这样的符合事件表明,一次高空相互作用可以产生覆盖大范围的次级粒子。他们据此研究了广延空气簇射,并推断原初粒子的能量可以达到约 10¹⁵ 电子伏特,也就是 1 PeV。CERN:广延空气簇射的发现

    这项认识使更高能宇宙线的观测成为可能。宇宙线能量越高,数量通常越少,卫星和气球搭载的有限探测面积很难收集足够事件。地面实验可以覆盖更广的区域,记录簇射中的粒子;光学仪器也可以观测簇射激发大气产生的荧光。原初粒子的信息由此保留在粒子数目、空间分布、到达时间和簇射发展过程之中。

    但这种方法也增加了一层推断。相同的地面信号,在不同相互作用模型下,可能对应不同的初始能量或原子核成分。假如一个模型在给定条件下产生的 μ 子偏少,研究者就可能需要增加模拟中的重核比例,才能重现观测。宇宙线成分与碰撞机制之间的关联,成为解释数据时必须处理的问题。

    空气簇射的主要产生与观测过程

    图 1|空气簇射的简化过程。高能强子可以继续与空气核碰撞;中性 π 介子主要衰变为光子,推动电磁级联;带电 π 介子和 K 介子的衰变则产生 μ 子与中微子。图中省略了大量反应通道,粒子数和长度均不按比例。

    已经知道强相互作用,为什么仍然需要实验模型

    宇宙线与空气核碰撞受量子色动力学,也就是 QCD 支配。困难在于,知道基本理论之后,还需要算出一次具体碰撞会产生什么。

    在动量转移较大的过程中,夸克和胶子的相互作用可以使用微扰方法计算。但一次普通强子碰撞中,大量粒子的产生涉及较小的动量转移,以及夸克、胶子最终形成强子的过程。这里的相互作用很强,难以用同样的方法可靠计算。一个入射质子撞上原子核时,还可能涉及多个核子,以及多次部分子相互作用。部分子指质子和中子内部的夸克、胶子。

    因此,完整的碰撞模拟需要把理论计算、现象学机制和实验调参结合起来。EPOS、QGSJET、Sibyll 等模型被广泛用于宇宙线研究;PYTHIA 及其用于核碰撞的 Angantyr 模型,也可以参与这类比较。不同模型对能量如何分配、多次相互作用如何关联、强子怎样形成,采用了不同处理。

    问题在于,过去用于约束模型的高能加速器数据,大量来自质子—质子碰撞,以及涉及铅等重核的碰撞。地球大气主要由氮和氧组成。模型从质子碰撞推广到轻核体系时,仍然需要验证。即使能够描述质子—质子数据,也不能由此确定,它已经正确处理了质子与空气核的相互作用。

    2025 年 7 月的 LHC 质子—氧核运行,正是针对这一缺口。实验让每个质子能量为 6.8 TeV 的质子束,与每核子能量为 3.4 TeV 的氧-16 束迎面碰撞,得到 9.62 TeV 的每核子对质心能量。氧核包含 8 个质子和 8 个中子,在核组成上比单个质子更接近大气中的碰撞对象。

    这一碰撞能量对应约 49 PeV 的宇宙线质子撞击静止靶核。两个数字使用了不同参考系:对撞机两束粒子迎面运动,而大气中的靶核近似静止。后者有相当一部分能量用于整个系统的整体运动。按每核子碰撞计算,高能极限下有 E ≈ sNN / (2mp),其中采用自然单位制。将 9.62 TeV 平方后代入,就得到约 4.9 × 10¹⁶ eV。

    49 PeV 已高于宇宙线能谱在数 PeV 附近出现的膝区。这使实验能够在与高能宇宙线研究相关的能量上,直接检验轻核碰撞中的粒子产生机制。

    两亿多次碰撞,怎样成为一组可信的测量

    这项分析选出了约 2.46 亿个事件。研究者主要利用 ATLAS 内部径迹探测器,重建带电粒子在磁场中的运动轨迹,并据此确定动量和方向。数据经过触发、顶点重建等效率修正后,用于截面计算的事件数约为 2.51 亿。

    实验有明确的观测范围:一个事件至少包含一个横向动量 pT 大于 500 MeV、赝快度绝对值 |η| 小于 2.5 的初级带电粒子。横向动量表示垂直于束流方向的动量;赝快度由出射角定义,η = 0 对应垂直于束流的方向,|η| 越大越靠近束流轴。本次选取主要覆盖探测器的中央角区。

    这些条件决定了结果的含义。实验直接统计的是指定范围内的初级带电粒子,并对其寿命和来源作了定义;太软、太靠近束流方向的粒子,以及中性粒子,没有全部进入这组测量。后面出现的粒子数,均指这个范围内的数目。

    大量事件降低了统计误差,但探测器仍会漏掉部分轨迹,也会记录到次级相互作用产生的粒子。研究者需要修正重建效率、扣除背景,并通过反卷积还原被探测器分辨率改变的分布。他们还使用不同模拟生成器检验这些修正对模型假设的依赖。因此,这项测量的不确定性主要来自探测器与分析方法的系统误差。常见区域的精度达到百分之几,罕见的高粒子数和高动量区域则有更大的误差。

    实验首先回答了一个基本问题:在限定的观测条件下,质子—氧核碰撞发生得有多频繁?物理学使用截面描述这种相互作用概率。这里的截面是有效面积,单位 mb 为毫巴恩,1 mb = 10⁻³¹ 平方米。

    限定区域的质子氧核截面及外推的质子空气截面

    图 2|论文图 1。左图比较直接测量的限定区域截面与模型预测,实心点为数据;右图给出外推的质子—空气非弹性截面,橙色点为本研究,其他点来自宇宙线实验。右图上方刻度是等效宇宙线能量。

    直接测得的限定区域截面为 396 ± 6(实验)± 9(亮度)mb。亮度表示对撞机提供的有效碰撞机会数,它的标定影响截面的归一化。将两项误差按平方和合并,总误差约为 11 mb。

    这个结果与 EPOS LHC-R 和 HIJING 的预测相容,低于其他受检模型的预测,差异至少达到三个标准差。例如,PYTHIA Angantyr 在同一区域给出约 442 mb,DPMJET 给出约 476 mb。限定条件下的碰撞发生率,已经足以区分这些模型。

    不过,要把结果用于质子与空气的相互作用,还要走两步。首先,估计那些没有在观测范围内留下合格带电粒子的非弹性碰撞。不同模型预测的接受率从约 84% 到 96% 不等,作者据此取平均值并估计理论误差,得到完整非弹性质子—氧核截面 438 ± 6 ± 10 ± 30 mb。随后,再使用模型计算的质子—氮核与质子—氧核截面之比,并按空气由约 78% 氮、22% 氧构成的近似进行转换,得到:

    质子—空气非弹性截面:406 ± 6(实验)± 9(亮度)± 28(理论)mb。

    从 396 mb 到 406 mb,中间包括观测范围之外的外推,以及氧核到空气组成的转换。最后的理论误差已经大于实验误差,合并后的总不确定性约为 30 mb。较大的误差也使外推结果与模型之间的差异降到约两个标准差以内。评价这项工作的精度时,需要同时保留这两个层次:限定区域的数据很精确,对完整大气碰撞的推断仍然依赖模型。

    模型的偏差,藏在粒子怎样共同产生之中

    截面给出碰撞的发生率,粒子分布则进一步说明碰撞内部发生了什么。论文比较了四类分布:每次碰撞产生多少带电粒子,粒子的横向动量多大,平均横向动量怎样随粒子数变化,以及粒子沿不同方向如何分布。

    带电粒子数和横向动量分布

    图 3|论文图 2(a)、2(b)。左图横轴为带电粒子数,右图横轴为横向动量。黑色数据点与彩色模型线的差别,在各自下方的 MC/Data 比值图中更容易看出:比值为 1 表示预测与数据一致。两图上半部均使用对数纵轴。

    粒子数分布揭示了最直接的困难。没有一个模型能正确描述整个分布。Angantyr 和 QGSJET III 在较低粒子数区域相对接近数据,但到了高粒子数尾部,前者低估、后者高估,偏差可以达到一个数量级。这里指的是这些罕见事件的发生概率差很多,并不意味着每次碰撞的粒子数都相差十倍。

    尾部事件与一次碰撞中发生多少次部分子相互作用、这些相互作用如何分配能量密切相关。模型如果只在常见事件上表现良好,仍可能错误预测高活动度碰撞。EPOS 则暴露出另一种情况:它对能量守恒和多次相互作用的处理有助于描述质子—质子数据,但推广到质子—氧核后,预测了过多的低粒子数事件。这说明,跨碰撞体系的检验能够揭示原有调参数据没有充分约束的机制。

    横向动量分布提供了另一组信息。较低动量区更受软过程和强子化影响,较高动量区逐渐体现可用微扰方法处理的硬过程。Angantyr 在这一分布上最接近数据,全范围内偏差不超过约 12%。DPMJET、HIJING 和 Sibyll 预测的谱偏硬,也就是相对产生了更多高横向动量粒子;QGSJET 则偏软。一个模型对截面的描述较好,并不保证它也能正确描述粒子的动量。

    更能说明机制差异的,是第三个量:粒子数增多时,平均横向动量如何变化。

    平均横向动量随带电粒子数增加的变化

    图 4|论文图 2(c)。数据中的平均横向动量随粒子数上升。QGSJET 和 Sibyll 在高粒子数区域的曲线较平,未能跟上这一趋势。下方比值图展示相对偏差。

    数据表明,在粒子数更多的事件中,粒子的平均横向动量也更高。要解释这种关联,需要同时处理粒子数量与动量分配。仅仅在模拟中重复加入彼此独立、性质相近的相互作用,很难自然产生相同的变化。

    论文将这一上升趋势解释为稠密部分子环境中色相干效应的体现。色是 QCD 中的荷,与可见光颜色无关。多个夸克、胶子系统之间的色联系,会影响它们最终形成多少强子,以及动量如何分配。模型通过不同的现象学方案处理相关效应:DPMJET 使用弦融合,EPOS 使用核芯—晕区方法,PYTHIA 使用色重联。这些模型能够在约 8% 的偏差内描述上升趋势。论文所比较的 QGSJET 和 Sibyll 版本没有建模相应的色相干效应,对粒子数的依赖明显偏弱。

    这给模型改进提供了具体方向,同时仍保留了机制上的开放性。多种不同方案都可以部分解释同一个趋势,这组数据尚不能单独选定唯一的微观机制。它也没有单独确立质子—氧核碰撞产生了夸克—胶子等离子体。

    带电粒子的赝快度分布

    图 5|论文图 2(d)。横轴刻画粒子的出射方向,纵轴是平均每个事件、每单位赝快度产生的带电粒子数。正 η 为氧束方向。这里的分布只涵盖满足横向动量要求的带电粒子。

    最后,方向分布考察粒子沿束流两侧的产生情况。数据在 η 约 1.1 处达到约 5.2 的峰值,Angantyr 在不确定性内描述了这一分布。入射粒子种类与两束流的每核子能量都不对称,使这个体系无需关于 η = 0 对称。不同模型对软、硬过程的组合,也会改变分布的宽度与高度。

    四组分布连起来,论文的结论就很清楚了。模型必须同时解释碰撞发生率、粒子数量、动量分布以及数量与动量之间的关联。只改善其中一个量,可能仍然留下其他方向的偏差。这批数据的价值,正是对这些相互关联的预测施加了共同约束。

    更准确的碰撞模型,会怎样改变我们对宇宙线的认识

    最直接的后续工作,是利用新数据重新调整和检验相互作用模型,再把改进后的模型用于完整空气簇射模拟。这个过程将影响宇宙线研究中的两类判断。

    第一类是原初粒子的能量与质量组成。质子与空气的非弹性截面影响第一次碰撞发生的大气深度;后续碰撞中的粒子产生和能量分配,则影响簇射何时达到最大规模,以及最终有多少粒子抵达地面。在其他条件不变时,较小的截面对应更长的平均相互作用长度,第一次碰撞平均会发生在更深的大气中。但完整簇射还取决于多个过程,新结果对最终成分推断的净影响,需要通过重新模拟来确定。

    成分之所以重要,是因为质子、氦核和更重原子核的相对比例,以及这些比例随能量的变化,约束了宇宙线加速与传播模型。磁场对粒子的作用与其电荷有关,不同核种还会经历不同的相互作用和破碎过程。减少空气簇射模型的误差,就有助于更可靠地检验宇宙线来源及银河系内外成分的变化。

    第二类是长期受到关注的 μ 子问题。在若干超高能宇宙线观测中,空气簇射模拟产生的 μ 子少于数据所要求的数量;使用簇射最大深度与地面信号推断的成分,也可能不一致。奥热合作组 2024 年的一项联合分析发现,在其方法假设下,同时改变模型的簇射最大深度和地面强子信号,才能更好地解释观测。这说明相关偏差涉及多个相互关联的观测量。奥热合作组,2024

    μ 子数量与级联中的能量分配密切相关。中性 π 介子把能量送入光子、电子和正电子构成的电磁级联;带电介子则可能继续参与强相互作用,并在衰变时产生 μ 子。每一代碰撞中的差异经过多代累积,就可能改变地面的 μ 子含量。因此,直接约束轻核碰撞中粒子如何产生,是研究这一问题的重要实验输入。

    本次 ATLAS 数据测量了中央角区的初级带电粒子,尚未完整测量中性粒子的能量份额、极前向的能量输运,也没有覆盖整场簇射中所有能量和入射粒子种类。论文没有展示使用新数据调参后的完整簇射结果,也没有量化 μ 子偏差能够缩小多少。将它用于 μ 子问题,接下来需要结合前向测量、不同粒子种类与不同能量的数据,检验模型修改能否同时改善对撞机和宇宙线观测。

    回到这项研究本身,它完成了一件具体而重要的工作:在已知束流、已知碰撞对象和可量化探测效率的条件下,测出了与高能大气相互作用直接相关的一组数据。过去需要从地面簇射信号中共同推断的宇宙线成分与碰撞性质,现在有一部分获得了独立实验约束。

    从赫斯在气球上确认天外辐射,到奥热利用地面符合事件认识空气簇射,再到 ATLAS 在实验室里研究质子与氧核的碰撞,研究方法一直在变化。今天,这些可控碰撞能够帮助我们判断:地面上看到的粒子分布,在多大程度上来自宇宙线本身的性质,又在多大程度上受到我们对大气相互作用理解的影响。


    延伸阅读:人物、机构与观测概念

    ATLAS 合作组:一项实验背后的国际科研组织

    ATLAS 合作组是围绕 ATLAS 实验建立的国际科研协作组织。CERN 是提供加速器与实验设施的欧洲核子研究组织,LHC 是负责加速并使粒子相撞的大型强子对撞机,ATLAS 则是在其中一个碰撞点周围记录粒子产物的通用探测器。合作组承担探测器的建设、运行、维护、数据处理和物理分析。ATLAS 的研究范围很广,涵盖希格斯玻色子、标准模型精密检验、强相互作用以及新粒子搜寻;2012 年,它与另一项独立实验 CMS 共同宣布发现了一个新的玻色子,后续研究确认其性质符合希格斯玻色子。CERN:ATLAS 实验

    据合作组官网介绍,ATLAS 有超过 5500 名成员,包含物理学家、工程师、技术人员和学生,其中约 3000 人具有科学论文署名资格。具体分析通常由较小的团队推进,但每项结果都依赖长期积累的探测器、软件、校准和运行工作,并须经过合作组内部审查。因此,论文通常以整个合作组署名。这也解释了本文所读论文的一个版面特点:核心分析篇幅有限,文末却列出了很长的作者与机构名单。ATLAS:合作组与组织方式

    维克托·赫斯:从仪器的缓慢放电追查辐射来源

    维克托·弗朗茨·赫斯(Victor Franz Hess,1883—1964)出生于奥地利,早年的研究与放射性和大气电学有关。当时,物理学家发现,装有空气的验电器即使经过良好绝缘,仍然会缓慢失去电荷。原因之一是辐射使空气分子电离,产生的带电粒子让空气能够导电。于是,一个看似属于仪器测量的问题,变成了对环境辐射来源的追问。

    如果电离主要由地面放射性物质引起,离开地面后,电离率应当逐渐下降。赫斯为高空气球实验改进了仪器,减小温度和气压变化的影响,再比较不同高度的记录。他发现,电离率在上升初期有所降低,随后却随高度显著增加。夜间与日食期间的观测又表明,太阳不能解释这类辐射的主要来源。这一研究的关键,在于利用高度和观测条件的变化,逐步区分几种可能的解释。马克斯·普朗克核物理研究所:赫斯的研究经历

    1936 年,赫斯因发现宇宙线获得诺贝尔物理学奖。1931 年,他已在因斯布鲁克附近的哈费勒卡山建立高海拔研究站,使宇宙线研究能够长期持续。1938 年,纳粹掌权后,他遭到解职并流亡美国,随后在纽约福特汉姆大学任教。赫斯的研究生涯因此同时经历了早期高空实验、长期观测站建设,以及欧洲科学家在战争前后的迁徙。因斯布鲁克大学:赫斯生平

    皮埃尔·奥热:从空气簇射到国际科学合作

    皮埃尔·维克托·奥热(Pierre Victor Auger,1899—1993)是法国实验物理学家,研究涉及原子物理、核物理和宇宙线。对本文而言,他的重要贡献是通过空间上分开的探测器,研究一次高能宇宙线事件产生的大范围空气簇射。这种方法使研究者可以利用许多次级粒子的共同信号,推断远高于当时加速器能力的原初粒子能量。今天,位于阿根廷的皮埃尔·奥热天文台以他的名字命名。奥热天文台:奥热其人

    在其他物理学语境中,奥热的名字还常见于奥热效应:原子内层电子出现空位后,外层电子填补空位所释放的能量,可以传递给另一个电子,使它逸出原子。这是原子内部的一种无辐射退激发过程,与空气簇射属于不同尺度的问题。他在原子物理和宇宙线研究中均有重要贡献,体现了早期实验物理学家跨领域开展研究的特点。

    战后,奥热逐渐投入科学组织工作,担任联合国教科文组织自然科学部门负责人,并参与推动 CERN 的创建。他还与意大利物理学家爱德华多·阿马尔迪等人推动欧洲空间研究合作,1964 年成为欧洲空间研究组织 ESRO 的首任总干事。ESRO 是后来欧洲空间局 ESA 的前身之一。因此,奥热与本文的联系同时涉及实验方法和科研组织:他参与发展的宇宙线观测方法延续至今,他推动的跨国合作形式也成为大型实验的重要基础。ESA:奥热与欧洲科学合作

    奥热天文台:怎样用大片地面观测一次高空事件

    皮埃尔·奥热天文台位于阿根廷西部,主要研究超高能宇宙线。它的两类核心探测设备观测同一场簇射的不同部分:地面水切伦科夫探测器记录穿过水体的带电粒子所产生的光,荧光望远镜记录簇射激发大气产生的紫外荧光。前者提供到达地面的粒子信号,后者追踪簇射在大气中的发展。对两类设备都记录到的事件,研究者可以联合检验能量、成分和相互作用模型。奥热天文台:混合探测方法

    这也解释了正文为什么会同时讨论簇射最大深度与地面 μ 子信号。它们约束的是同一场事件中不同的物理过程;一个模型能否同时解释两者,比只拟合其中一个量更有检验力。

    μ 子:为什么短寿命粒子能从高空抵达地面

    μ 子属于轻子,是一种基本粒子,质量约为电子的 207 倍。它不参与强相互作用,能够穿过相当厚的物质,在空气簇射中常由带电介子衰变产生。其静止参考系中的平均寿命约为 2.2 微秒,随后会衰变为电子或正电子,以及两个中微子。美国能源部:μ 子简介

    寿命这么短的粒子仍能从高空到达地面,涉及狭义相对论的时间膨胀。在地面参考系中,高速 μ 子从产生到衰变的平均时间延长,因此能够飞行更远。其较强的穿透能力和高速运动时延长的平均寿命,共同使它成为地面宇宙线实验的重要观测对象。国际 μ 子对撞机合作组:μ 子与时间膨胀

    正文中的 μ 子问题,具体指空气簇射模拟对 μ 子相关观测的描述存在偏差。研究者需要检查介子产生、能量分配和多代级联等过程,确定偏差从哪里积累起来。


    参考资料

    1. ATLAS Collaboration. Measurement of Charged-Particle Production in √sNN = 9.62 TeV Proton-Oxygen Collisions as a Probe of Cosmic-Ray Air Showers with the ATLAS Detector. Physical Review Letters 137, 121901 (2026). DOI: 10.1103/f3nk-5lt9。正文测量结果以用户提供的正式发表版为准。
    2. CERN. Cosmic rays: particles from outer space.
    3. CERN. Pierre Auger and colleagues demonstrate extensive air showers.
    4. Pierre Auger Collaboration. Testing Hadronic-Model Predictions of Depth of Maximum of Air-Shower Profiles and Ground-Particle Signals using Hybrid Data of the Pierre Auger Observatory. Physical Review D 109, 102001 (2024). DOI: 10.1103/PhysRevD.109.102001.
    5. CERN. ATLAS; ATLAS. The Collaboration.
    6. Max Planck Institute for Nuclear Physics. Biographical information about Victor Hess.
    7. Universität Innsbruck. Victor Franz Hess: Biography.
    8. Pierre Auger Observatory. Who Was Pierre Auger?.
    9. ESA. Pierre Auger.
    10. Pierre Auger Observatory. Hybrid Detector.
    11. U.S. Department of Energy. DOE Explains…Muons.
    12. International Muon Collider Collaboration. History of the Muon.

    原图 © 2026 CERN, for the ATLAS Collaboration,采用 CC BY 4.0 许可。