图2 阴极射线管(a)，阴极射线管中电子的轨迹(b)
对于高能带电粒子，速度接近光速，要看到明显的偏转，则需要强电场或强磁场，抑或长距离偏转。由于长距离和强电场不容易实现，对于强电场目前能做到的最高电场强度1 MV/m，且当带电粒子在强电场中容易发生空气击穿效应。因此，我们通常用外加强磁场的径迹室等探测装置实现对高能带电粒子偏转的测量。粒子电荷数(Z)可通过粒子偏转半径(ρ)和动量(p)给出。其关系式为Z=p/(0.3Bρ)，这里B 为磁感应强度，是已知的。下面举例子：
通过给云雾室附加磁场，世界上第一个反物质——正电子就被发现了。云雾室中充满过饱和水蒸气或酒精，当带电粒子穿过时产生离子，蒸汽会在离子周围凝聚成液滴显示带电粒子的轨迹，这与高空飞机留下的尾迹是相同的道理。1932 年8 月2日，美国加州理工学院的安德森利用加了磁场的云雾室观测到了和电子轨迹相似但方向相反的粒子，通过计算最后得知此粒子和电子质量相等，电荷相反，符合狄拉克对反电子的预言，认为其为电子的反粒子，也就是正电子。图3 是非常著名的一张照片，显示了一个正电子在带有磁场的云雾室中从下往上穿过铅板后部分能量被吸收，径迹的弯转曲率半径变小的过程。
图3 1933 年安德森拍摄的一张正电子在有附加磁场和铅板的云雾室里径迹的照片
位于中国科学院高能物理研究所的北京正负电子对撞机上的北京谱仪探测器(图4)，通过在探测器上加强磁场，测量正负电子对撞后产生的带电粒子在径迹室里的偏转方向和半径大小，从而判断粒子的电荷正负以及电荷量(图5)。
图4 北京正负电子对撞机上的北京谱仪探测器截面照片
图5 正负电子对撞后产生的带电粒子在探测器径迹室里的径迹(黄)
我们知道地球是有磁场的，在宇宙线穿过地球磁场到达地面的时候，会因为地球磁场的作用发生偏转，偏转的角度与其能量成反比。在地面上我们只能探测到次级宇宙线粒子，下面我们一起来探索如何通过实验判断原初宇宙线是带正电还是负电。
二、探索原初宇宙线带电的正负
1. 地球磁场
带不同电荷的粒子在天然地球磁场中会如何偏转呢？这与地球磁场的分布和强度有关，我们先来看看地球的磁场是怎样的。
地球磁场源自地球内部延至太空。主要由基本磁场和外源磁场组成。基本磁场占主要部分(99%)，由地核内熔融铁热对流形成电流而产生磁场，地表的磁场近似于一个磁偶极子如图6(a)所示。外源磁场主要在大气层以上，在太阳风的影响下变形。如图6(b)所示，面向太阳的一面磁场分布空间被压缩，另一面则被拉长，近似苍蝇的形状。地磁场几十万年会发生一次地磁逆转，南北极位置互换。场强大小：0.25~0.65 G，从两极至赤道逐渐减弱。地磁倾角：−90°(上)和90°(下)之间，在北半球向下倾，在磁南极指向正下方，并随纬度下降而逐渐向上，至“地磁赤道”处完全与地表平行(0°)。往南，倾角继续向上，直到磁北极处指向正上方。地球磁场尺度约10 至200 个地球半径，而大气层厚度只有约1/6 个地球半径，地球磁场的厚度远远大于大气层的厚度。地磁场能够使大部分太阳风偏转方向，保护地球大气层免受太阳风中的带电粒子的剥离，生物体不会受到紫外线的侵害。
