Multimuon Events from Cosmic Rays with the ALICE Detector
本文分析了ALICE实验在2015年至2018年间收集的为期62.5天的宇宙射线数据，以研究多μ子事件，发现虽然目前的强子相互作用模型难以完全描述观测数据，但在假设初级成分为纯铁的情况下，QGSJET-II-04模型最能重现观测到的μ子多重度分布和高多重度事件率。
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在高空之中，来自宇宙边缘的无形粒子正不断地向地球降落。这些是宇宙射线，主要是以接近光速飞行的原子核，它们撞击大气层并与空气分子发生碰撞。当它们撞击时，会破碎成一系列次级粒子，形成在天空中扩散的粒子流。在这些碎片中包括μ介子（muons），它们是电子的不稳定近亲，可以在衰变前深入地下旅行。科学家长期以来一直将这些μ介子作为信使，用以理解原始宇宙射线的本质以及它们撞击大气层时发生的剧烈物理过程。然而，一个持久的谜团一直萦绕不去：用于预测这些粒子流如何发展的标准模型，往往无法解释那些成群结队抵达的罕见且大规模的μ介子爆发。理解这些事件至关重要，因为它们揭示了我们目前的粒子物理学理论是否完整，或者我们的宇宙图景中是否缺失了某些基本要素。
在瑞士的大型强子对撞机中，ALICE实验的主要设计目标是通过撞击重离子来重现早期宇宙的条件。然而，在2015年至2018年间，当对撞机未运行时，该探测器静静地坐落在地下，充当了一个捕捉宇宙射线的巨大网。实验位于地下52米处，被数吨重的岩石屏蔽，这些岩石阻挡了几乎所有其他粒子，只允许能量最高的μ介子到达内部灵敏的追踪室。在此期间，团队共收集了62.5天的实际观测数据。他们特别关注“多μ介子事件”，即超过四个μ介子同时到达探测器的罕见时刻。通过分析数千个此类事件，研究人员旨在观察现有的宇宙射线粒子流计算机模型是否能准确预测这些大型粒子组出现的频率及其包含的μ介子数量。
研究人员首先观察了μ介子计数的分布，检查了包含4到50个μ介子的事件。他们将实测数据与三种不同的计算机模拟进行了对比，每种模拟都基于关于粒子在大气中相互作用的不同理论。为了测试这些理论，模拟假设了入射宇宙射线的两种极端可能性：要么它们全部是轻质质子，要么全部是重质铁原子核。结果显示出明显的差异。基于轻质质子的模型预测的μ介子组数量始终远低于探测器实际观测到的数量。然而，当模拟假设宇宙射线由重质铁组成时，一种被称为QGSJET-II-04的特定模型与实际数据吻合得非常好。其他两个模型即使在假设为重质铁的情况下，仍然预测的μ介子数量过少，无法重现观测到的模式。这表明，除非入射的宇宙射线是重质的，且相互作用模型经过了专门针对它们的调整，否则标准的粒子相互作用理论难以描述这些粒子流。
团队还调查了那些包含超过一百个μ介子的最极端事件，他们称之为高μ介子多重数事件。在62.5天的观测数据中，他们记录了13个此类事件，其中单次最大的爆发包含了287个μ介子。这相当于大约每4.8天发生一次这样的大规模事件。当他们将观测到的速率与模拟进行对比时，发现结果进一步印证了早期的结论。假设为重质铁组成并使用QGSJET-II-04相互作用模型的预测结果，与实际测量值高度一致。相比之下，假设为轻质质子的模型所预测的速率过低，无法匹配现实。其他两个相互作用模型也表现不佳，其中一个预测的速率极低，在统计学上与数据不相符。导致这些大规模爆发的宇宙射线估计能量约为100千万亿电子伏特，这是集中在单个粒子上的巨大能量。
最终，这项研究有力地表明，产生这些罕见、高多重数μ介子爆发的宇宙射线很可能由铁等重元素组成，而非轻质质子。虽然该数据并未最终证明所有宇宙射线的成分，但它强烈暗示，当前的粒子物理标准模型需要重质成分才能正确描述这些大气粒子流的行为。QGSJET-II-04模型在匹配数据方面的成功，以及其他模型的失败，凸显了我们对高能粒子在大气中如何相互作用的理解仍在不断演进。深藏于地下的ALICE探测器成功捕捉到了这些来自宇宙的瞬时时刻，为我们提供了一个清晰的视角，挑战并完善了我们的亚原子世界理论图谱。
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