宇宙射线导论

能量为数十亿电子伏的粒子，传统上称为宇宙射线，已近一百年被发现，其来源仍不明确。其主要成分是标准物质宇宙中正常核子，重元素有一些丰富；也有电子、正电子和反质子，但没有反核。今天我们也获得了同位素丰度的信息，这些信息与星际介质有一些异常。已知的光谱覆盖从几百 MeV 到 3×10^{20} eV 的能量范围，并显示出少数清晰的光谱特征：在 5×10^{15} eV 处有一个小光谱中断，称为"肩部"，光谱在此处向下转折；在 3×10^{18} eV 处还有另一个光谱中断，称为"脚踝"，光谱在此处再次向上。直到脚踝为止，宇宙射线通常被解释为来自星际超新星爆炸；然而，我们并不知道肩部的来源。脚踝之后的粒子必须是外星的，通常认为是因为在星际磁场中的洛尔半径太大；如果这些粒子是重核（如 Fe），则可克服这一论点，但这似乎与脚踝能量以上气射线数据不一致。由于与宇宙微波背景的相互作用，预期在 5×10^{19} eV 处有一个强烈的截止，然而这并未被观察到。该"GZK 截止"（得名于发现者 Greisen、Zatsepin 和 Kuzmin）之后的高能宇宙射线是解释的挑战。我们将描述各种理解宇宙射线起源与物理的途径（已删节）。