摄影盖蒂图片社

当Spencer Axani 昏昏沉沉地从床上起来登录电子邮件时，他的家中很少有阳光。Axani 是特拉华大学的物理学助理教授，但他在这些清晨用来完善的并不是课程计划或手稿。相反，他正在对关于他在 2016 年开发的名为CosmicWatch的手掌大小的探测器的源源不断的消息进行深思熟虑的回应。

CosmicWatch 不是告诉时间，而是帮助世界各地的学生识别地球上最丰富和最神秘的粒子类型之一：宇宙射线。

虽然它们的名字可能让人联想到遥远的太阳光束，但这些粒子根本不是光子(携带光的粒子)，而是高能粒子和原子核的混合物，每时每刻都从太空深处降落在地球上. 当它们撞击地球大气层时，它们会分解并衰变为像μ 子这样的次级粒子，这些基本亚原子粒子与电子类似，但重 200 倍以上。

然而，尽管它们在全球范围内无处不在，但科学家们仍然没有弄清楚所有宇宙射线的起源。对于能量低于 10^18 eV(比大型强子对撞机光束更大，但不足以驱动 100 瓦灯泡)的更常见粒子，科学家们可以自信地将超新星作为起源点。然而，具有更高能量的粒子极为罕见，远远超出了已知的天体物理现象所能创造的任何东西。这意味着宇宙射线的来源可以揭示一种全新的物理学，Axani 说。

“虽然我们可能还不完全知道它们来自哪里，但我们可以使用它们，以及它们在撞击我们的高层大气时产生的次级粒子，来探索非常广泛的物理学，”Axani 告诉大众力学。“我们希望提高我们对中微子物理学的理解，寻找暗物质的迹象，甚至研究与我们的大气层有关的陆地效应。”

小粒子，大探测器

2013 年，南极洲阿蒙森-斯科特南极站的冰立方实验室。

图片来源：FELIPE PEDREROS，ICECUBE/NSF

为了做到这一点，像 Axani 和南达科他州矿业与技术学院物理学助理教授Matthias Plum等科学家正在转向各种尺寸的宇宙射线探测器。对于 Plum 来说，这意味着要使用巨大的探测器，比如阿根廷的 Pierre Auger 天文台和南极的 IceCube 天文台。

Plum 说，在捕捉稀有宇宙射线时，探测器的尺寸确实很重要。

“一个高能宇宙射线粒子每世纪大约落在一平方公里。”

“如果你只想测量中等高能粒子，几平方公里就可以了，”普拉姆说。“但如果你想追求真正、真正最高[能量]的人，那么你就是在谈论里程和里程。就像小国的大小一样。”

普拉姆说，这是因为一个高能宇宙射线粒子每世纪大约落在一平方公里。为了在行动中抓住他们，你的网需要非常大。对于 Pierre Auger 天文台，研究人员可能需要几个小时才能在探测器阵列之间行驶。

世界各地的小而强大的探测器

Plum 说，手持探测器和大型探测器在本质上并没有太大的不同。当宇宙射线穿过一个大探测器或小探测器时，它们会留下一个小小的旅程指纹，其中编码了它们通过探测器的时间以及它们在这样做时所拥有的能量。

通过对这些数据进行逆向工程，科学家们正在努力追查宇宙深处的宇宙射线的起源。

虽然 Axani 的项目没有能力捕获超高能粒子，但它仍然在帮助学生通过探测 μ 子亲身了解这类物理方面发挥着重要作用。这些不起眼的手掌大小的探测器看起来像外部硬盘驱动器，制造成本仅为 100 美元，并且通过记录 μ 子撞击硅光电倍增管并闪烁小灯以提醒用户来工作。世界各地的学生探索了地铁站深处、飞机和气球上的宇宙射线相互作用，甚至乘坐火箭进入地球大气层。

“不是每个人都可以使用粒子加速器，但除非你住在地下几公里，否则你可以使用高能粒子 [如 μ 子]，”Axani 说。

因为每个单独的用户都在制造这些探测器，而不是由一家公司大规模制造它们，所以 Axani 说需要故障排除的设备之间可能存在一些细微的差异，例如建造宜家桌子但放错了一个螺丝。他说，归根结底，这是该项目的一部分乐趣。

在特拉华大学担任新职务时，Axani 说他很高兴最终扩展这个项目，通过他所谓的“CosmicNet”以一种新的方式连接这些探测器及其用户。这将允许用户共享数据并更广泛地发现世界各地的介子运动，这可以帮助好奇的用户利用彼此的数据进行新的发现——例如，在太阳耀斑期间介子速率如何变化。

普拉姆说，随着大大小小的宇宙射线探测器在未来几年内都经历了升级，它们甚至可能以新的方式进行合作，包括研究冰立方探测器的低能量区域。