地球周围发现反质子辐射带


  

  地球不断地受到高能粒子轰击,这些粒子称为宇宙射线。这些宇宙射线都产生于太阳或更远的其他辐射源。(最高能量宇宙射线的来源仍是一个谜)。

  这些粒子一般是质子,电子和氦原子核,它们与地球上层大气中的原子核发生碰撞时,就会产生阵雨般的次级粒子流(daughter particles)。这些粒子流如此广泛,以至很容易从地面观察到。

  天文学家早就意识到,这些碰撞会产生反质子,就像在地球上粒子加速器中所发生的那样。但是,这就提出了一个有趣的问题:这些反质子产生之后怎么样了?

  显然,这些反粒子中,有很多在遭遇普通物质粒子时,已经泯灭。但一些天文学家一直怀疑,剩下的反质子肯定被困在地球磁场中,形成一个反质子辐射带。

  现在,天体物理学家说,他们终于发现了这个传说了很久的反质子带。

  2006年,  罗马第二大学(University of Rome Tor Vergata)的皮尔吉奥格尼·皮科扎(Piergiorgio Picozza)和他的同事们发射了一个航天器,称为帕梅拉(PAMELA),进入低地球轨道,专门寻找宇宙射线中的反质子。

  但是,就像大部分低地球轨道的航天器一样,帕梅拉每天必须穿过南大西洋异常游离层(South Atlantic Anomaly),在这一区域,范•艾伦辐射带(Van Allen Radiation Belts)最接近地球表面。就是在这里,高能粒子往往会被困住。因此,如果有任何反质子可能被困在混合物中,那么,正是在这里,PAMELA应该可以找到它们。

  现在,帕梅拉小组已经分析了850天的数据,只看飞船在南大西洋异常游离层时的情况(大约是这个时间数量的1.7%)。

  你瞧,这些家伙发现了28个反质子。这比你期望在太阳风中发现的,多了三个数量级,这就证明,这些粒子真的被捕获并存储在这一带。

  这构成了“地球附近最丰富的反质子源”,帕梅拉小组说。

  南大西洋异常游离层,众所周知是十分麻烦的。因为这里有高能粒子,所以当这些粒子每天数次通过时,“哈勃”太空望远镜必须关闭;而国际空间站也有额外的屏蔽,以防止它们影响宇航员。

  发现另外一个反质子带,不会太大地影响它所意味的危险,因为,对比被困在那里的电子和质子而言,反质子的数量很微小。

  但理论预言得到证实,总是有趣的。这是良好的科学工作。

  范·艾伦辐射带是两个圆环状的区域,围绕着地球,在这些区域,带电粒子围绕地球磁场线盘旋。在围绕地球磁场线盘旋时,较重的粒子会走较宽的轨迹,而较弱的磁场线也会导致较宽的轨迹。因此较重的反质子在围绕外层辐射带的弱磁场线运动时,绕的圈会如此之大,以致于很快就会被吸引进叫较低的大气层,从而与普通物质泯灭。而内层辐射带被认为具有足够强的磁场,可以困住反质子,确实,他们就是在这里发现了反质子。

  这次观察到的28个反质子,被困在螺旋上升的轨道中,轨道所环绕的磁场线是从地球南极伸出的。帕梅拉只是抽样观察了一小部分内层辐射带,而被困住的反质子可能遍布整个辐射带。

  欧洲核子研究组织(CERN)的罗尔夫·兰多瓦(Rolf Landua)说,有趣的是,地球磁场的作用很有点像他们在实验室使用的磁场陷波器。科学家们用这些陷波器捕捉反物质,进行长期研究。

  意大利巴里大学(University of Bari)的另一个研究小组的科学家阿莱森多·布鲁奴(Alessandro Bruno)说,地球的反质子辐射带有朝一日可以用于推动航天器,未来的火箭动力可以采用物质与反物质之间的反应,这种反应的效率比太阳核心的核聚变更高。

  他说,有数十亿倍多的反质子环绕着地球。

  参见:《发现地磁捕获的宇宙射线》(The Discovery Of Geomagnetically Trapped Cosmic Ray)

  http://arxiv.org/abs/1107.4882