GZK截断的是是非非
GZK截断的全称是Greisen-Zatsepin-Kuz’min截断，讲的是宇宙线粒子与微波辐射背景光子作用导致能谱高能端的cutoff，在之前的《宇宙线探测器》一文中提过一个大概。不过说来惭愧，关于这个效应三位提出者的姓名，本人至今不知应该如何正确发音，不过这不影响本文的写作，暂时先不去理会了。
这个效应的预言提出很早，当时是在1966年，宇宙微波背景辐射发现后不久，分别由美国的Kenneth Greisen与前苏联的Georgiy Zatsepin和Vadim Kuz’min撰写的两篇文章几乎同时刊登在了两国的物理学杂志上，故而后人称其为GZK效应。这一效应的原理是质子和光子之间的pγ反应：
或者是：
其中质子p就是宇宙线的成分，而光子γ则来自微波背景辐射，二者先是产生共振态，再生成π介子。通过这一过程，质子会不断地损失自身的能量。根据背景光子2.7开的温度，不难求出此反应发生的质子能量阈值，约合电子伏。再根据此反应的截面（约为10-28平方厘米）和能损率（大约是每次碰撞质子损失20%的能量），就可以推知特高能宇宙线在能量损失之前的平均自由程——40 Mpc。换句话说，源区距离远于此值的特高能宇宙线是无法接收到的，故而又有“GZK视界”一词。与宇宙学距离相比，这一数字算不得太大。由于一般认为此能段上的宇宙线起源于河外星系，人们自然可以预计，在宇宙线能谱上，
电子伏附近会有流量的显著减小。
基本原理如此，但这却引来了日后的一出公案：这一截断是否存在。归根结底，问题还是出在探测的难度上。对于这些拥有宏观物体动能的微观粒子来说，探测困难当然不是因为仪器的灵敏度，而是由于事件的稀少性。一般的说法是，平均每平方千米每世纪只能接收到一个特高能宇宙线粒子。但如果没有积累一定数量的事件，给出统计上令人信服的结果几乎是不可能的。因此这也给后来的探测器指明一条方向：越大越好。
这里暂时先岔开话题，给出宇宙线能谱的全貌：
图片来源：Hoerandel (2003)
这张能谱图算是数据比较全面的。标为“Knee”与“Ankle”的拐折点一般认为与不同成分宇宙线的来源、扩散系数以及传播过程中的相互作用有关。不论对其理论解释如何，观测上的走向还是基本确定的。麻烦出在最高能段的部分，也就是图中右侧最为杂乱的地方，这里也是预言中GZK截断的发生处。
明野宇宙线观测站外景。（图片提供：Akeno Observatory）
言归正传。能谱图中，表现为高能流量超出的几个事件来源不一，有Haverah公园的，更多的则是来自AGASA，也就是明野巨型空气簇射阵。当年规模最大的宇宙线探测器非明野阵莫属。1990年投入使用的该阵海拔900米，覆盖面积100平方千米，由111个地表探测器与27个附属地下μ子探测器组成。对于AGASA高能流量超出的结果，本人见过的最早的文章可以追溯到1998年8月，用了1990年至1997年的数据，得出了这样一条能谱：
图片来源：Takeda et al. (1998)
其中的虚线也就是GZK截断的预言值了。据说AGASA公布结果之后的几年间，算是新物理最蓬勃也最为引人注目的时期，因为大家都想给这些超出的流量找个说法。关于特高能宇宙线可能来源的模型自然就纷纷登场，譬如弱相互作用的高能粒子，譬如邻近的来源，再如重核相关的效应，怎一个热闹了得啊。
后来利用AGASA在1990年到2002年的数据得出的能谱中，特高能宇宙线也有类似的走向。其实这类事件一共有多少呢？明野站的主页上写得明明白白，1019 eV以上的事件886个，1020 eV以上的则只有区区11个。这已经是当年的最佳数据了，虽然数量仍旧很少。
稍晚的是HiRes，是于1997年投入使用的荧光探测器。他们得出了与AGASA完全不同的结果，也就是通过更多的数据，以5倍标准偏差的显著性观测到了GZK截断，并将结果发表在今年的Physical Review Letters杂志上。据说此文早在数年前即已写成，只是由于先前AGASA的结论影响力实在太大，故而迟迟未被接收。
HiRes的结果（黑/红）与AGASA的结果（蓝）对比。（图片来源：Abbasi et al. 2008）
要说为什么HiRes的结论逐渐被公认，那是更大规模（占地3000平方千米）的Pierre Auger观测站的功劳，因为Pierre Auger的能谱据认为也有类似的走向。但话说回来，本人见过的某条Pierre Auger能谱却也不能称其为充分的“截断”，至少也没有HiRes那般明显（此为个人意见，仅供参考）。本人对宇宙线探测的数据处理所知甚少，天知道这是怎样一回事……
不过HiRes的参与者认为，AGASA等观测站的能量校正有问题，并且还给出证据：倘或将各站杂乱的能谱做平移，还是可以得到基本一致的谱形的，而在GZK截断的理论值之上，也并无先前那般明显的差异。
另外的问题还涉及粒子成分。从开头给出的原理可见，GZK截断发生在电子伏的前提是，特高能宇宙线的主要成分是质子。但Pierre Auger的新近结果表明，在特高能部分，有重核占优的迹象，这样一来，截断的能量也就不是当年简单的预言了。然而可靠地确定宇宙线的成分谈何容易，今后若干年内，这应该又是个值得研究的话题。何况对于这些粒子的起源尚存不小的争议，如HiRes最近宣布，他们根本没有在北天找到类似Pierre Auger宣布的活动星系核成协性（我说HiRes啊，你是不是存心要和别人过不去哪……）。考虑带电粒子受磁场影响导致的偏转以及当下活动星系核列表的不完备性，判断它们是否来自GZK视界之内也还是颇有难度的。
不论如何，真相还要靠更多的事件积累。Pierre Auger可以做到平均两周探测到一个特高能宇宙线事件，效率远远高于先前任何仪器。所以究竟是AGASA还是HiRes是搅局者，或者二者结论都有问题，还是让时间来说话吧。
BTW，前些天被人问及，为什么只有Pierre Auger给出了宇宙线来源的分布图，明确指出高能宇宙线与超星系道面成协，而未见其他探测器的同类结果。其实至少AGASA还是给出了来源的各向异性分布的，之前也有类似的讨论，不过结论又是与Pierre Auger相反。原始论文没有细读，就先给个链接吧。
