星裂与簇射

星裂与簇射

宇宙线粒子进入大气层以后，它们都有一个不寻常的经历，走过一段曲折复杂的路径之后，就会结束短暂的一生。其中能量比较低的一些粒子，比如质子，它们的经历比较简单，进入大气层以后，与空气中的原子核发生撞击，将原子核打散，有质子和中子释放出来。在这种碰撞过程中，宇宙线粒子必然要失掉一部分能量；紧接着又与其他原子核发生作用，又损失了一部分能量。如此循环往复，经过一次次碰撞之后，粒子的能量已损失殆尽，最后被大气所吞噬，寿命终止。像质子，能量损失差不多时，俘获一个电子，就变成了大家熟悉的氢原子。

至于那些被打散的核子，能量比较高的，在飞行过程中与其他原子核相碰撞，发生一般的核反应，从而产生新的一代粒子，这一代一代的新粒子，随着能量逐渐减弱，延续反应也就会自然中止，最后仍然逃脱不了被大气吞噬的命运。

那些能量相当高的宇宙线粒子，进入大气层以后，发生的情况与前面的情况截然不同。这些粒子与空气中原子核相碰撞时，不仅把原子核击碎，释放出核子，而且还会产生一些能量很高的新粒子，其中包括π^－、π、π⁰”等介子，还有一些短寿命的粒子。这一过程犹如一颗小型炸弹爆炸一样，产生的许许多多的碎片飞向四面八方。这种现象被称为“星裂”，也被称做“核簇射”。

在这种“爆炸”过程中，往往产生一些能量依然相当高的粒子，它们与其他原子核相互作用时，同样会引发新的“爆炸”，产生新的核簇射。那些没有发生碰撞的粒子，飞行一段时间之后，会自行衰变为其他的粒子，了结自己的一生。有些正如我们在前面讲过的，如π^－，π，μ－，μ的衰变。

最引人注目的莫过于来自宇宙间且有着巨大能量的电子和γ光子了，当它们进入大气层以后，会产生异常壮观的图景。

当电子途经原子核的近旁时，由于受到电磁力的作用，运动的方向会发生改变，这时，它们便会以γ光子的形式不断地向外辐射能量；那些高能量的光子在飞行中遇到了其他原子核时，会产生电子与正电子对。新出现的正负电子对再与原子核相互作用时，又有新的γ光子产生，随之它们又可能转变成电子对。只要电子的能量足够大，这种相互作用和相互转化就将持续相当长的时间。这样，经过一代又一代的“繁衍”，产生出子子孙孙的“后代”，而且每一代的粒子都是成倍地增长，形成一个逐渐膨胀的，由γ光子、电子和正电子组成的庞大的粒子群体。一个能量超过1015电子伏的电子，照此延续的结果，将会有数以百万计的γ光子和正、负电子的产生，形成一幅非常壮丽的景观，这就是簇射现象。

由于大气中原子核非常稀疏，高能量的电子和γ光子在飞行中，与原子核相遇的机会是很难得的。因此，“繁衍”一代粒子穿过的路径大约需要300米。这样，要想在比较短的距离内，观察到簇射现象是不可能的。为此，人们在电子和光子前进的路上，设置一些原子核密度比较大的障碍物，比如，一定厚度的铅板，那些高能量的电子和γ光子与原子核相碰撞的机会大大增加。在厚铅板中，每经过5毫米的距离就会产生一代新粒子，只要它们穿过几厘米的路程，就会有十几代粒子产生，人们能够在很小的范围内，清晰地观测到奇妙的簇射情景。

星裂和簇射现象是高能量宇宙线引发的壮观画卷，通过对这些壮观画卷的研究，人们可以对宇宙线在大气中的演变情况进行深入的探索，这对于揭示宇宙线的奥秘是非常有益的。