这些粒子中有许多与宇宙射线有关，宇宙射线是极高能的粒子，可能来自太阳系之外遥远的爆炸恒星和其他剧烈事件。当宇宙射线撞击地球高层大气中的原子时，会产生次级粒子簇射。其中包括μ子，它们可以穿过大气层，甚至穿透地下。
特拉华大学物理学教授斯宾塞·阿克萨尼（Spencer Axani）开发了一种名为CosmicWatch的设备，使得探测这些原本不可见的粒子变得容易得多。这项技术现在已被从高中生到专业研究人员的各类人群使用。
100美元的不可见宇宙粒子探测器
CosmicWatch的尺寸大约相当于一盒动物饼干。该探测器由价值约100美元的电子元件构建而成，每当有μ子穿过时，它就会闪烁并记录一次计数。这些信息会被存储起来，以便用户随后下载并分析数据。
该设备最初被创造出来，是作为一种向学生介绍粒子物理学的低成本方法。然而，从那时起，CosmicWatch也在国际天体物理学研究中找到了用武之地。
“CosmicWatch探测器使我们能够以极低的成本、以紧凑便携的形式进行更多的物理研究，为许多新型实验和拓展机会打开了大门，”阿克萨尼说。
μ子能揭示关于宇宙的什么
科学家研究μ子是因为它们能提供有关宇宙中一些最剧烈事件的线索，包括超新星、伽马射线暴和耀变体。通过测量μ子，研究人员可以估算原始宇宙射线的特性，包括其能量、质量和方向。
μ子通量在物理学史上也发挥了重要作用。在20世纪40年代初，对这些粒子的测量为爱因斯坦的狭义相对论提供了最早的实验证实之一。
μ子对于研究地球上的物体也很有用。这些粒子可以穿过墙壁、岩石或人体等固体材料而不会造成损害。因为它们会留下可探测的能量轨迹，科学家可以利用它们对隐藏在大量物质背后的结构进行成像。2016年，μ子技术在吉萨大金字塔中发现了一条未知的走廊。
面临的挑战是，传统的μ子探测器通常体积庞大且价格昂贵。这既限制了研究人员可以进行的实验，也限制了能够让学生亲自动手接触该技术的学校数量。
“一个典型的本科生物理实验课程使用大约一个小书架大小的机架式电子设备来测量μ子，”阿克萨尼说。
CosmicWatch的起源
阿克萨尼于2017年在麻省理工学院（MIT）读研究生时首次创造了CosmicWatch。他最初的目标是建造一个紧凑、节能的μ子探测器，供南极的冰立方（IceCube）天文台使用。
冰立方是一个埋在冰层下的巨大探测器，用于搜寻中微子——另一种亚原子粒子。μ子探测器很有用，因为它能帮助研究人员将μ子与他们试图识别的中微子区分开来。
随着项目的推进，阿克萨尼意识到同样的技术可以做得足够便携且廉价，以供教育使用。CosmicWatch随后演变成了一种用于教授粒子物理学的科普工具。
2022年加入特拉华大学（UD）教职后，阿克萨尼继续完善该设计。他最近发布了CosmicWatch的第三个版本。10月份发表在《仪器杂志》（Journal of Instrumentation）上的一篇文章中描述的改进，使新探测器能够监测周围环境、容忍高辐射水平，并更快地收集数据。
“尽管我研究过宇宙射线，但我并没有充分认识到这些探测器工作背后丰富的物理学原理，即它们实际上是如何‘看见’世界和大气粒子产生的，”阿克萨尼实验室的博士生、该期刊文章的主要作者马苏马·萨尔法拉兹（Masooma Sarfraz）说。“对于像我这样一直致力于理论想法的学生来说，这是深入实验领域的绝佳机会。它也与我目前更广泛的粒子物理研究工作完美契合。”
从暗物质研究到太空飞行
最新的CosmicWatch设计非常适合用于校准大型探测器。它目前正被用于特拉华大学的NuDot实验，以及位于新墨西哥州洛斯阿拉莫斯的相干CAPTAIN-Mills（CCM）暗物质探测器。
研究人员还在开发另一种版本，可以在火箭和航天器上测量初级宇宙射线。
尽管其研究作用不断扩大，教育仍然是CosmicWatch的重要组成部分。在特拉华大学，阿克萨尼使用该探测器教授粒子物理学、核物理学和天体物理学。学生们自己组装设备，在使用他们完成的探测器进行自己设计的实验之前，获得高速电子设备的操作经验。
量子科学与工程项目的博士生穆萨拉特·沙姆斯（Musarate Shams）通过添加温度和压力传感器改装了他自己的CosmicWatch。他的目标是研究地球高层大气中的宇宙射线。
今年5月，该探测器搭乘高空气球升至10万英尺的高空，接近太空边缘。在检查了测量数据后，沙姆斯能够展示来自太空的宇宙射线流是如何随海拔升高而变化的。
“在实验室里花几天时间建造出能够探测到来自数百光年外这些酷炫粒子的设备，这是一件非常酷的事情，”他说。
让学生体验真正的粒子物理学
CosmicWatch也被用于特拉华大学以外的地方。康奈尔大学物理学副教授、Ann S. Bowers冠名副教授娜塔莎·霍尔姆斯（Natasha Holmes）让她基础物理课程的学生组装探测器并用其进行实验。
她说，直接使用该技术进行操作，能给学生带来一种更接近专业实验物理学的体验。
“学生们似乎对做这种更接近粒子物理学家和实验物理学家实际工作的事情感到非常兴奋，”她说。“他们借此学习了一些编程，有时他们会弄坏设备，然后我们就必须和他们谈论小心对待设备的问题。这与典型的物理实验室非常不同。我们曾听学生在使用它后说，他们正在做‘真正的科学’。”
可能建立的全球宇宙射线探测器网络
阿克萨尼估计，自八年前第一个版本问世以来，已经建造了数千台CosmicWatch探测器。他希望通过全球性的“公民科学”努力，这个数字最终能变得更大。
根据这一设想，世界不同地区的人们可以测量当地的μ子率，并将他们的观测结果发送到网上的一个中心位置。这些测量结果汇聚在一起，可以描绘出一幅更广阔的全球粒子活动图景。
阿克萨尼还在开发一种相关的探测器系统，可以帮助卫星群更智能地响应环境变化。该技术将允许卫星相互交流太空中的状况。例如，如果探测到太阳耀斑，该系统可以提醒附近的卫星，以便它们在必要时关闭电源。
最初作为一个低成本教育项目的事物，现在已经扩展到高级物理学的几个领域，这是阿克萨尼最初没有预料到的。
“虽然它最初是作为一个教育项目开始的，但它已经在许多不同的物理学领域找到了用途，”阿克萨尼说。“这非常酷。”