宇宙中的一切速度都遵循极限速度限制，即真空中的光速，这可能是真的，但这并不意味着单个粒子的能量有一个极限。当你逐渐向一个大质量的粒子注入更多的能量时，你可以使它以越来越快的速度运动，渐进地接近宇宙的极限速度。但矛盾的是，粒子的能量越高，就越难准确地检测和测量它。
宇宙射线
（上图说明：宇宙射线是起源于整个宇宙的超高能粒子，在高层大气中撞击质子并产生新粒子的簇射。快速移动的带电粒子也会由于切伦科夫辐射而发光，因为它们的移动速度比地球大气中的光速快，并产生可以在地球上检测到的二次粒子。）
原因很简单：为了测量初始粒子的能量，您需要将其衰变和碎片产物的能量沉积在探测器中，从而重建其原始能量、质量、电荷等。要想在宇宙射线能量下工作，必须建造一个超大规模的探测器才能正常工作，因为宇宙射线能量是大型强子对撞机达到的能量的数百万倍。但是，通过减慢光速，物理学家可以利用一个不可思议的技巧来测量这些宇宙能量。方法如下。
CMS Collaboration探测器
（上个图说明： CMS Collaboration是迄今为止建造的最大、密度最大的探测器之一。在中心碰撞的粒子将产生轨迹，并将沉积能量的碎片留在探测器中，使科学家能够重建在探测器过程中产生的任何粒子的特性和能量。这种方法严重不足，不足以测量宇宙射线的能量）
当你增加一个粒子的能量时，它就变得越来越容易和另一个粒子相互作用。任何相互作用都有机会通过爱因斯坦E=mc2自发地产生新的粒子和反粒子，或者发射出一个量子辐射：光子。粒子运动得越快，它相互作用的可能性就越大，以至于它会发射出更多的粒子，在这样做的过程中会损失能量。
当你想到制造能量最大的粒子的方法时，电磁力是最重要的。当你在电场中放置一个带电粒子时，它会沿着电场的方向加速；当你在磁场中放置一个带电粒子时，它会垂直于电场的方向和粒子的电流运动而加速。宇宙中最强的自然加速器不在地球上，而是在极端的天体物理环境中：在中子星和黑洞周围。
（上图说明：这是艺术家用渲染的图片描绘黑洞的周围环境，显示了过热等离子体的吸积盘和相对论喷射。我们还没有确定黑洞是否有自己的磁场，以及独立于它之外的物质。许多高能宇宙射线都与黑洞或中子星源有关。）
在地球上，我们已经使用粒子加速器使质子和电子等物体接近实验室条件允许的光速，并且已经非常接近爱因斯坦在1905年提出的极限宇宙速度限制：c或299792458 m/s，但同样快粒子，而且尽管我们已使粒子获得了能量，但它们根本无法与我们所看到的宇宙射线的能量进行比较。
- 最快的费米实验室质子：980 gev；99.999954%光速；299792320 m/s。
- 最快的LHC质子：7 tev；99.999990%光速；299792455 m/s。
- 最快的LEP电子（最快的地面加速器粒子）：105 gev；99.99999999 88%光速；299792457.9964 m/s。
- 最快宇宙射线质子：5×1010 gev；99.999999999999999 73%光速；299792457.999999999992 m/s。
与所有粒子中绝对最快的粒子相比，地球加速器没有任何机会；它们不属于同一个等级。
（上图说明：由哈勃拍摄的NGC1275星系，显示出一个活跃的、以黑洞为中心的令人难以置信的迹象。来自这个活跃星系的高能辐射和粒子只是众多天体物理现象的例子之一，这些现象的能量远远超过我们在地球上所产生的任何东西。）
在实验室条件下，我们也许可以很好地控制电场和磁场，但是我们地球上的能量受到我们在地球上建造的电磁铁和加速器设施的物理限制。它们确实令人印象深刻，但与宇宙实验室不匹配。
黑洞、中子星、合并恒星系统、超新星和其他天体物理大灾难都能将粒子加速到地球上永远无法比拟的能量。最高能量的宇宙射线运行的如此接近极限宇宙速度极限，以至于如果你将一个超高能量的宇宙射线质子与一个光子向最近的恒星发射，你知道会发生什么吗？在近8.5光年的往返旅程中，光子会先到达，但只是勉强到达。质子仅落后22微米，仅在0.7皮秒后到达。
（上图说明：在数字化的天空测量中，离我们太阳最近的一颗恒星，即半人马座近地天体，其中心显示为红色。虽然像我们自己的类太阳恒星被认为是常见的，但我们实际上比宇宙中95%的恒星质量要大，在比邻半人马座的红矮星类中，四分之三的恒星都是如此。巴纳德的恒星是继半人马座阿尔法星系之后第二个最近的恒星系统，也是M级恒星。）
这些超高能宇宙射线是由宇宙中的许多源产生的，它们向各个方向运动。偶尔，这些粒子中的一个会有正好的轨道撞击地球。当那意外事件发生时，那是我们的大机会。这是我们测量到达地面的粒子能量，以及重建原始宇宙射线特性的机会。
然而，我们之所以能够做到这一点，是因为我们有一个环绕地球的大气层。在几百公里厚的地方，这种大气就像一种介质，而不是一个完全纯净的真空。虽然真空中的光速是固定不变的为299792458 m/s，但介质中的光速就会变慢。即使是接近真空的空气，也会将光减慢到其真空速度的99.97%。
（爱达荷州国家实验室的先进试验堆芯并不是因为有蓝光而发出蓝光，而是因为这是一个产生相对论带电粒子并被水包围的核反应堆。当这些粒子穿过水时，它们超过了该介质中的光速，导致它们发出契伦科夫辐射，这种辐射看起来像是发光的蓝光。）
0.03%的减速并没有那么大，但它确实使一些值得注意的事情发生了：那些与大气接触的高能粒子会发现自己的移动速度比这个介质中的光速还要快。当这种情况发生时，它们会发出一种特殊类型的辐射：蓝光以特定角度呈圆锥形发出，称为契伦科夫辐射。
为了达到这个目的，核反应堆周围被水包围，这些核反应堆发射的快速移动的粒子可能会照射到人类。它们保护人们不受反应堆释放的粒子的影响，因为这些粒子被水减慢了速度，反而发出了无害的蓝光。能量就是能量，通过把它从粒子本身带走并转化为光，这是确保附近的人安全的一个很好的方法。
（上图说明：这个动画展示了相对论带电粒子在介质中比光移动得快时会发生什么。相互作用使粒子发出一种称为契伦科夫辐射的辐射锥，这种辐射锥取决于入射粒子的速度和能量。探测这种辐射的特性是实验粒子物理学中一种非常有用和广泛的技术。）
当宇宙射线撞击我们的大气层时，它的运动速度比核反应堆产生的任何粒子都快得多，但物理性质却完全相同。发射的契伦科夫辐射将以特定的频率发生，该频率可根据宇宙射线的能量范围计算。这种辐射将由伽马射线组成，由于它是在如此高的高度（数百公里以上）产生的，因此需要大量对伽马射线敏感的地面望远镜来探测。
那么，我们的想法是建造一个“契伦科夫”望远镜阵列，能够探测来自地球各地的光线。当你看到合适圆锥体的一小部分，并能追踪到单个粒子时，你可以用一种全新的方式重建它的属性。虽然这只是一个拟议中的项目，但预计在今年结束前开始建设。
“契伦科夫”望远镜阵列
（上图说明：这个“契伦科夫”望远镜阵列包含100多台伽马射线望远镜，这些望远镜能够测量大量的粒子能量，甚至其原始位置。通过建议的CTA，我们也许最终可以了解是什么来源产生这些超高能粒子。）
目前，有许多伽马射线天文台也可用作“契伦科夫”辐射望远镜，为撞击我们星球的高能粒子提供所谓的“大气成像”。诸如H.E.S.S.、Magic和Veritas等天文台都为这些高能宇宙射线的来源提供了前所未有的位置和能量。
转移到“契伦科夫”望远镜阵列将是一个巨大的进步。总之，该阵列预计将由118个蝶形天线组成：北半球19个（关注低能量和星系外来源），南半球99个，集中于我们银河系内的全部能量和源。目前，有32个国家参与了该项目，这是一项耗资3亿美元项目。ESO 位于智利阿塔卡马沙漠的帕拉纳尔Armazones基地将举办数量最多的蝶形天线。
（如上图所示，Veritas 的伽玛射线望远镜（高能辐射成像望远镜阵列系统）已被用来测量高能宇宙射线撞击地球大气层时以切伦科夫辐射形式发射的伽玛射线。当这些粒子在介质中，甚至在地球大气中，比光移动得快时，辐射的发射是不可避免的。）
这并不是我们测量宇宙射线的唯一机制，因为当宇宙射线撞击地球大气中的粒子时，它们也会产生新的粒子。这些“粒子阵雨”可以产生使其落在地球上的遗迹，而基于粒子的观测站可以与观测相关联的契伦科夫辐射的基于光的观测站相辅相成。
但是，“契伦科夫”望远镜提供了一些基于粒子的方法所不能提供的东西：通过只测量到达地球的部分，入射粒子的能量和轨迹可以精确地重建。如果你想用基于粒子的探测器做到这一点，你需要确保，你接收并精确测量在“粒子阵雨”中产生的100%粒子的能量和动量。即使是世界级的宇宙射线探测器，像皮埃尔-俄歇天文台，也达不到这一目标。
（上图说明：由高能天体物理源产生的宇宙射线可以到达地球表面。当宇宙射线与地球大气中的一个粒子碰撞时，它会产生一束粒子，我们可以用地面上的阵列检测到，但即使没有粒子阵雨，契伦科夫辐射也会被释放出来。）
另一种选择是在宇宙射线粒子到达地球之前捕获它们；你需要到太空去看它们。但是即使你这样做了，你也会受到探测器的灵敏度和能量的限制。进入太空还需要巨大的发射成本；费米伽马射线望远镜，它直接探测单个高能光子而不是宇宙射线，成本约为6.9亿美元，是整个契伦科夫望远镜阵列预计成本的两倍多。
相反，通过捕捉宇宙射线在全球100多个地点撞击大气所产生的粒子和光子，我们可以了解这些超相对论粒子的起源和性质（科学家以此方法确定宇宙中的天体位置），以及产生它们的天体物理源。所有这些都是可能的，因为我们了解粒子在一种特殊介质（地球大气）中比光移动得快的原理。爱因斯坦定律也许是无法打破的，但是减慢光照的技巧使我们能够非常巧妙地检测到一些我们无法测量的东西！
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