图5 罗西曲线及其实验装置图（右上角）
而后人们利用多层云雾室在实验室中观测到了簇射发展的过程，更加直观形象。除了实验室中簇射观测的进展，早在1933年，罗西在东非观测东西效应时就发现，可能有扩展的粒子簇射到达并同时击中多个计数器，但是当时他没有时间去进一步研究这个有趣的现象。很可惜，这很可能是人类第一次观测到广延大气簇射现象，但罗西与首次发现失之交臂了。
图6 符合计数随计数器间距的变化。横坐标为计数器摆放间距，纵坐标为符合计数。其中黑点是测量值，其它为理论预期
小知识
什么是广延大气簇射？高能原初宇宙线粒子进入到大气层上空后，与大气层中的原子核碰撞产生次级粒子，然后次级粒子再和空气核相互作用继续产生新的次级粒子，如此往复多次形成级联，最终会产生数目巨大的低能次极粒子，这些次极粒子也以接近光速前进着并且会在大气中横向扩散开来，这些粒子就像一场瞬间（10-9s）粒子“阵雨”一样到达地面，簇射中的粒子数可高达千亿，并且散布在数平方公里的面积上，这样的粒子“阵雨”称为广延大气簇射[8]。
1938年，法国物理学家奥格尔通过在海拔3000多米的地方进行实验[7]，通过不断改变计数器的间距，测量符合计数率（图6），发现了原初宇宙线在进入大气时产生具有明显时间与空间效应的“粒子雨”过程，他由此发现了广延大气簇射；进一步测量得到了次级粒子的能量可以高达107eV以上，结合次级粒子数目的估计可以得到原初宇宙线的能量在1015eV以上。
1015eV是什么概念？可见光的光子能量大约是几个eV,而我们熟悉的穿透力很强的X射线能量大约是103eV，大家可以自行脑补……
1946年，罗西领导的小组创建了首个探测广延大气簇射的探测器阵列，从而开创了宇宙线研究的新天地。
在生活中，影响我们生活或者与日常可能发生关系的是次级宇宙线（到底有什么影响？我们下期会讲到）。而如今在高能天体领域，科学家主要研究原初宇宙线带来的宇宙信息。
宇宙线，人类获得的来自太阳系外的唯一物质样品原初宇宙射线成分并不特殊，就是组成我们这个世界的各种核子和微观粒子，其中大多数是氢原子核与氦原子核，少量的重元素原子核，还有极少数的射线和电子。
在人类技术还无法加速微观粒子的年代，宇宙线为粒子物理与核物理研究提供了唯一的全天候近乎稳定的高能粒子束流。自上世纪30年代起短短的20年里，人们通过研究次级宇宙线相继发现了正电子、μ子、π介子、K介子及Λ超子、Σ超子等粒子。宇宙线也贡献了三次诺贝尔物理学奖。
1936年，赫斯和安德森分享诺奖，前者发现了宇宙线，后者在研究宇宙线本质时发现正电子；1950年，鲍威尔因为核乳胶探测而获得了诺奖，可以说是宇宙线为人们揭开了高能物理大幕的一角。
随着加速器技术的进步，从上世纪80年代起，宇宙线研究也逐渐转向高能天体物理领域。宇宙线是人类获得的来自太阳系外的唯一物质样品，人类所探测到的最高能量的微观粒子就是来自于宇宙线的样本，该能量比目前人造加速器的最大能量要高近5千万倍。
目前，宇宙线，电磁辐射、引力波并称为探索宇宙的三大探针，也是贯穿粒子物理学、天文学、宇宙学三大学科领域的基本研究对象。宇宙线的起源，加速和传播机制，以及它们与高能天体演化，乃至宇宙的演化等科学问题也无不撩拨着人们的心弦。从宇宙线发现至今的一百余年间，宇宙线科学在物理学发展中扮演了异常重要的角色，始终丰富着人类对物质世界的理解，为我们描绘出一幅高能宇宙的图景。
参考文献：
[1]. C.A. de Coulomb,"Troisième mémoire sur l’électricité et le magnétisme," Histoire de l’Académie Royale des Sciences, pages 612–638.
[2]. Hörandel J R. Early cosmic-ray work published in German[C]//AIP Conference Proceedings. American Institute of Physics, 2013, 1516(1): 52-60.
[3]. De Angelis A, Giglietto N, Guerriero L, et al. Domenico Pacini, un pionieredimenticatodello studio deiraggicosmici[J]. IlNuovoSaggiatore, 2008, 24(5-6): 70-74.
[4]. Millikan, Robert Andrews, and G. Harvey Cameron. "High frequency rays of cosmic origin III. Measurements in snow-fed lakes at high altitudes." Physical Review 28.5 (1926): 851.
[5]. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1936/hess/facts/
[6]. Mario Bertolotti, 《Celestial Messengers: Cosmic Rays -The Story of a Scientific Adventure》
[7]. PIERRE AUGER, REVIEWS OF MODERN PHYSICS, Extensive Cosmic-Ray Showers
[8]. 何会海，物理.42卷，宇宙线研究进展评述与展望
作者：刘佳
作者单位：中国科学院高能物理研究所
