智能手机用户可以通过新的应用程序，加入对特高能宇宙射线的探测中来。 埃德温·卡特利奇提问到：这些微型粒子探测器组网是否可以胜过价值数百万美元的大型观测站

利用公众的好奇心和技术来追求科学发现并非是什么新鲜事。连网的计算机被广泛用于对各种数据进行处理已经至少15年了，其应用包括从寻找外星无线电信号到分析蛋白质折叠实验的各种数据。尽管仍然没有外星智慧存在的迹象，但这种分布式解决问题的方法已取得了成果——例如Einstein @ Home（爱因斯坦@家）项目发现了数十个新类星体。然而，迄今为止，此类“公民科学”计划已经处理了许多由专业科学家收集的数据。威斯康星大学麦迪逊分校和加利福尼亚大学的两个新项目就是依靠公众进行观测的，这种观测由一种小工具来实现，它就是已经成为许多人日常生活的基本组成部分的：智能手机。

顾名思义，这两个应用程序——分布式电子宇宙射线天文台（DECO）和在智能手机上发现宇宙射线（CRAYFIS）——都将智能手机变成了微型宇宙射线探测器。他们使用手机摄像头内的CMOS芯片来检测宇宙射线（即来自太阳系外的高能带电亚原子粒子）与地球大气层中的空气分子碰撞时产生的次级粒子（下图1）。

图1.宇宙射线雨

你只需要从互联网上下载该应用程序（见本文结尾的链接），将你的手机加入项目，然后将其面朝上放在不透明的表面上就可以开始了。以此方式遮盖相机后，CMOS像素接受到的可见光光子或多或少会受到遮挡，但仍会暴露在来自宇宙射线雨的粒子之下，例如高能光子和介子，它们会穿过墙壁，桌子和塑料手机壳，当它们使硅原子电离时就会产生可测量的电压。明像素所产生的模版将作为数据流存储在手机中，然后当无线网络连接可用时，就会将其上载到中央服务器以进行分析（下面的图2）。

在《物理世界》发行时，这两个应用程序正处于测试版开发的最后阶段，将用作教育工具，为在校学生和公众提供了一个方便快捷的途径，可以让人们动手参与探索天体物理学、粒子物理学和核物理学方面的知识。但是我们希望它们也可以用于进行原始研究。

据加州大学欧文分校的CRAYFIS应用的开发人员丹尼尔·怀特森所说，智能手机几乎无处不在，这使它们成为一种理想的工具，可以用来截获由能量最高的宇宙射线所产生的粒子雨——宇宙射线的起源仍然是物理学家的未解之谜。

图2. 使用智能手机检测粒子

他指出，现有的宇宙射线天文台占地数千平方公里，其建设成本达数千万美元；而基于智能手机的探测器组网不需要物理空间，其成本将限于收集和处理数据所需的计算设备。他说： “我们需要利用大约20亿部手机，来构成项目宝贵的基础架构。”

口袋探测器

这并不是手机被第一次用作辐射探测器。例如，多年以来，智能手机用户已经能使用手机应用程序在家中检测氡元素泄漏或在飞机上记录宇宙射线剂量。一年前，美国爱达荷州国家实验室的物理学家表示，他们已经开发出一种新算法，该算法可以将CMOS相机用作电离伽马射线的探测器。除此之外，如果发生核灾难，它可用于进行辐射的初步测量。同时，天文学家多年前就已经知道了，用CCD相机拍摄的图像中宇宙射线留下的轨迹，通常被视为需要消除的背景辐射。

最新的工作颠倒了这种逻辑，因为它正是基于在环境放射性衰变、热涨落和电子噪声的背景下搜索宇宙射线信号的算法。传统的宇宙射线天文台使用大量固定在太空空间中和稀疏分布在大部分地球表面的粒子探测器，以便最大程度地拦截粒子雨。粒子雨来自最科学有趣的射线——那些射线至少会以10^19eV（电子伏特）的能量撞击大气层。科学家们仍需确定一个天体物理过程，该过程具有足够能量来产生这种特高能宇宙射线。此外，因为在每一世纪中只有一束射线能到达给定范围的地表，所以在天空中还没有观察到足够多的射线来确定它们起源。要充分探测它们，将需要比今天最大的设施还要大得多的设施，即一个占地面积达3000平方公里，耗资达5300万美元，位于阿根廷的皮埃尔·俄歇天文台。 （请参见艾伦·沃森的“宇宙射线的100年”，2012年8月，第35-40页）

至少从原则上来说，转而使用手机的吸引力在于，打包更多罕见事件仅仅是让更多人下载该应用程序。怀特森所说，在2013年末的一个晚上喝啤酒时，他和他同事——加州大学戴维斯分校的粒子物理学家迈克尔·穆尔海恩，产生了使用“口袋里的微型粒子检测器”的想法，那时他们在日内瓦欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（LHC）上做研究。他们在ATLAS和CMS检测器上的研究意味着他们拥有在智能手机中使用的CMOS技术的经验，但是与此同时，他们对进行大型协同工作感到沮丧。怀特森说：“我们问自己如何在较小的规模上做一些有趣的事情，当我们在聊天和玩手机时，发现手机本身就是答案。”

图3.公民科学

鉴于手机的CMOS传感器尺寸和效率有限，两人开始着手计算需要多少智能手机来真正进行科学研究。正如他们在arXiv文本预印本服务器（arXiv：1410.2895）上发表的一篇论文中所解释的那样，他们得出一个结论，为了保证几乎所有的能量高于10^20 eV的宇宙射线所产生的粒子雨都会被截取到，在每平方公里的范围内就需要覆盖大约1000台活跃着的手机——他们的想法是至少有五部手机应在间隔的五秒钟内记录到一次命中，以便将信号与（不相关的）噪声区分开。研究人员还计算出了他们需要覆盖多大的面积，来匹配皮埃尔·俄歇天文台的“曝光”（观测区域，视场和数据采集持续时间的乘积），而他们得出的答案是825 平方公里。因此，他们得出结论：所需的手机总数约为825,000部。

魔法百万

怀特森承认，确实是需要很多手机。不过，他有信心实现目标。他和他的同事原定于2014年底发布CRAYFIS应用程序，但为处理大量预期用户而升级服务器的过程，一直在推迟该应用程序的发布时间。在10月中旬对该项目进行宣传的几周内，他们已经签约了50,000人来帮助测试该应用的测试版，并计划在2015年之前“大力推广”。他们还设计了多种方法最大限度地提高应用的有趣度，例如让用户参与数据分析，并在未来发表的科学论文中添加特别有生产力的个人的名字。他说：“我认为我们可以突破一百万大关。”

利兹大学的艾伦·沃森是1990年代初提出建设皮埃尔·奥格天文台的三位物理学家之一，他称赞这两个应用程序“确实具有想象力”，并指出其开发人员具有不必“与农民打交道”的优势。正如他所说，“将有100万个自愿参加的地主。”然而，沃森质疑基于智能手机的组网将会表现如何。特别是，他对怀特森及其同事的假设（智能手机摄像头的视场角为80°，估计实际数字更接近45°）表示怀疑。他还指出，正如怀特森小组所计划做的那样，使用介子来测量宇宙射线的能量，是依赖基于不确定模型的介子产生率的值。

德国伍珀塔尔大学的皮埃尔·奥格发言人，卡尔·海因茨·坎培特提出了更彻底的反对意见。他认为，单个智能手机从宇宙射线雨中检测到粒子的可能性非常低，以至于它们所记录的任何命中都可能被背景噪声淹没。此外，他认为不可能有足够高的手机数量密度，以至于能满足五电话触发标准。·坎培特还认为，加利福尼亚的研究人员高估了智能手机组网可能产生的能量和角分辨率。

威斯康星大学麦迪逊分校的DECO应用创始人贾斯汀·范登布鲁克也对这些应用程序能够进行多少研究表示怀疑。正如范登布鲁克指出的那样，地外文明探索 @ 家（SETI@home），甚至没有建立旨在搜索外星情报迹象的标志性分布式计算项目，它也无法尽可能多地吸引参与者（目前大约有120,000个活跃用户），然而这却是基于智能手机的宇宙射线天文台所需的。他补充说，由于在穿过建筑物墙壁时，宇宙射线雨的一部分会被吸收，并且每个用户的吸收率会有所不同，因此解读智能手机获得的结果将变得很复杂。他的小组没有使用DECO应用来计算宇宙射线的能量和方向，而是专注于更基本地识别手机记录的粒子事件，例如，介子倾向于在CMOS图像中留下直线轨迹。 “我们的理念是：如果我们能够进行广泛的大气簇射宇宙射线物理学研究，那将是很棒的；但如果没有的话，我们仍然可以在教育和推广方面做出许多贡献。”

图4. 间隔开

据范登布鲁克所说，DECO应用是可以公开获得的，到目前为止已被下载了数千次。他说，仍有许多小技术问题需要解决。例如，目前当每秒钟捕获一次图像或更多次时，在某些型号装有DECO应用的智能手机上无法关闭快门效果声音，这可能会令人非常恼火。范登布鲁克和他的同事们还在开发一个用户友好型的界面，以使得参与者能够分析自己的数据。同时他们正在与老师合作，将这项技术整合到学校课程中。此外他还说，他们计划与CRAYFIS应用的团队合作。他补充到：“这些应用程序将使科学更‘平易近人’。” “人们习惯于阅读有关LHC的信息，但在这里，他们可以根据完全相同的检测器原理在较小的规模上实现，只不过是用自己的设备。”

怀特森也认为，智能手机探测器毫无疑问是学校教室中的宝贵资产。但是他坚持认为，它们的使用不必局限于教育。他说：“我们可能只会有100,000个用户，而不能进行科学研究，但我们也可能会有5000万个用户，如果确实是有那么多，我们的观测力将是世界上最大的望远镜的50倍。” “我们可能还会遇到意料之外的事情。当你构建新内容时，通常会得到意想不到的结果。”

作者:Edwin Cartlidge

FY: FrozenC

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