左為“拉索”觀測基地航拍；右為“拉索”在天鵝座恒星形成區(qū)首次發(fā)現(xiàn)了PeV伽馬光子
17日，國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表了一項(xiàng)超高能宇宙線領(lǐng)域的重磅發(fā)現(xiàn)：位于中國四川稻城的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）” 在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)12個(gè)超高能宇宙加速器，并記錄到能量達(dá)到1.4拍電子伏特（PeV）的伽馬光子。這是人類迄今觀測到的最高能量光子，突破了人類對銀河系粒子加速的傳統(tǒng)認(rèn)知。
更值得一提的是，LHAASO（拉索）項(xiàng)目尚在建設(shè)中，此次報(bào)道的成果是基于已經(jīng)建成的1/2規(guī)模探測裝置，在2020年內(nèi)11個(gè)月的觀測數(shù)據(jù)。這意味著，隨著“拉索”項(xiàng)目的推進(jìn)，其觀測靈敏度還將不斷提升，勢必會(huì)發(fā)現(xiàn)更多超高能粒子及其源頭——人類天文學(xué)將邁入研究PeV宇宙線“超高能伽馬天文學(xué)”時(shí)代。
破解宇宙線起源“世紀(jì)之謎”邁出重要一步
在銀河系的星際空間中，宇宙線貢獻(xiàn)了1/3的能量密度，是星際空間的重要組成部分，同時(shí)主導(dǎo)了星際化學(xué)和恒星形成等天體物理過程。因此，宇宙線的研究對于人類認(rèn)識(shí)宇宙有重要意義。
自1912年發(fā)現(xiàn)宇宙射線以來，隨著人類探測宇宙線能力的提升，所觀測到的帶電粒子能量不斷提升。1989年，美國亞利桑那州惠普爾天文臺(tái)成功發(fā)現(xiàn)了首個(gè)具有0.1TeV（1000TeV相當(dāng)于1PeV）以上伽馬輻射的天體，標(biāo)志著甚高能伽馬射線天文學(xué)時(shí)代的開啟。
“過去30年里，人類發(fā)現(xiàn)了超過200個(gè)甚高能伽馬射線源。直到2019年，人類才探測到首個(gè)具有超高能伽馬射線輻射的天體。”清華大學(xué)物理系教授崔偉說，出人意料的是，僅基于“拉索”1/2規(guī)模不到一年的觀測數(shù)據(jù)，就將超高能伽馬射線源數(shù)量提升到了12個(gè)。
為何能量超過PeV的宇宙粒子如此難以探測？這是因?yàn)橛钪娲蟊óa(chǎn)生的背景輻射會(huì)吸收高于1PeV的伽馬射線，所以銀河系外即使有這樣的超高能射線，我們也無法探測到，而“拉索”則打開了銀河系內(nèi)PeV輻射探測的窗口。
由于過去人類無法有效觀測到PeV射線，導(dǎo)致當(dāng)前流行的理論模型認(rèn)為，PeV是銀河系宇宙線加速的能量極限，并預(yù)言伽馬射線能譜在0.1PeV附近會(huì)有“截?cái)唷?。但根?jù)“拉索”的觀測數(shù)據(jù)，這種“截?cái)唷辈⑽闯霈F(xiàn)，突破了理論預(yù)言的極限。
中國科學(xué)院高能物理研究所粒子天體物理中心研究員、“拉索”項(xiàng)目經(jīng)理兼首席科學(xué)家曹臻表示，這說明科學(xué)家需要重新認(rèn)識(shí)銀河系高能粒子的產(chǎn)生、傳播機(jī)制，并在極端條件下檢驗(yàn)基本物理規(guī)律。
“這次‘拉索’在天鵝座恒星形成區(qū)首次發(fā)現(xiàn)了PeV伽馬光子，探測到并證認(rèn)了來自蟹狀星云的約1PeV伽馬光子，還在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)了12個(gè)類似的宇宙射線源，其能譜穩(wěn)定延伸到PeV附近，其中探測到的伽馬光子最高能量達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的1.4PeV。”曹臻說，這說明銀河系內(nèi)大量存在PeV宇宙加速源，人類向著解開宇宙線起源這一“世紀(jì)之謎”又邁出了至關(guān)重要的一步。
追蹤宇宙線，“中國腳步”奮力接續(xù)60多年
海拔4410米，四川省稻城縣海子山上，“拉索”還在加緊建設(shè)。
建成之后，“拉索”將成為由5195個(gè)電磁粒子探測器和1188個(gè)繆子探測器組成的一平方千米地面簇射粒子陣列、7800平方米水切倫科夫探測器、18臺(tái)廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡交錯(cuò)排布組成的復(fù)合陣列。采用這四種探測技術(shù)，“拉索”可以全方位、多變量地測量宇宙線。
由于超高能伽馬光子信號非常微弱，即便是天空中最為明亮且被稱為“伽馬天文標(biāo)準(zhǔn)燭光”的蟹狀星云，其發(fā)射出來的PeV量級光子，在一年內(nèi)也只有一兩個(gè)落在一平方千米的地球表面，而且還被淹沒在幾萬個(gè)尋常光子中。曹臻介紹，“拉索”的地面簇射粒子陣列中，有1188個(gè)繆子探測器專門用于排除“雜音”，因此它所探測到的超高能粒子事件，誤判率僅為萬分之三。
在高海拔地區(qū)建造如此大規(guī)模的探測站，工程設(shè)計(jì)與實(shí)施、科研組織和后勤保障都是挑戰(zhàn)。中科院高能所所長、中科院院士王貽芳介紹，自上世紀(jì)50年代以來，中科院高能所的科學(xué)家們就鎖定宇宙線起源及其加速機(jī)制這一重大科學(xué)目標(biāo)，接續(xù)奮斗了60多年。
1954年，中國第一個(gè)高山宇宙線實(shí)驗(yàn)室在海拔3180米的云南落雪山建成。1989年，在海拔4300米的西藏羊八井啟動(dòng)了中日合作的宇宙線實(shí)驗(yàn)；2000年啟動(dòng)中意合作天體物理地基觀測研究實(shí)驗(yàn)。而目前在建的“拉索”則是第三代高山宇宙線實(shí)驗(yàn)室。
曹臻透露，“拉索”開發(fā)了遠(yuǎn)距時(shí)鐘同步技術(shù)、多種觸發(fā)模式并行、硅光電管、超大光敏面積微通道板光電倍增管技術(shù)等一系列尖端技術(shù)，大大提高了伽馬射線測量的靈敏度，使人類在探索更深的宇宙、更高能量的射線等方面達(dá)到了前所未有的水平，也為開展大氣、環(huán)境、空間天氣等前沿交叉科研提供了重要實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并成為多邊國際合作共同開展高水平研究的科學(xué)基地。
從太空到地面，中國將引領(lǐng)超高能天文學(xué)發(fā)展
《自然》雜志物理科學(xué)領(lǐng)域總編輯卡爾·齊梅里斯在發(fā)給由中科院高能所牽頭的“拉索”國際合作組的祝賀視頻中說，這些激動(dòng)人心的發(fā)現(xiàn)盡管還很初步，卻因?yàn)椴糠纸ǔ傻闹袊袄鳌表?xiàng)目的觀測工作才成為可能，“我們已經(jīng)可以肯定，銀河系中存在PeV加速器，這些發(fā)現(xiàn)讓我們距離了解高能宇宙射線起源又近了一步”。
就在1/2“拉索”已開始觀測時(shí)，另一半“拉索”也加緊建設(shè)。到2020年底，已有3/4規(guī)模完成并投入運(yùn)行。到今年年底，“拉索”陣列將全部建成，并投入長期運(yùn)行。
事實(shí)上，國際高能物理界可期待的“中國數(shù)據(jù)”遠(yuǎn)不止即將建成的“拉索”。
王貽芳透露，未來，中國空間站將安裝高能宇宙輻射探測設(shè)施（HERD），預(yù)計(jì)在軌運(yùn)行10年以上。它將與“拉索”構(gòu)成空間與地面的多維度宇宙線觀測系統(tǒng)，在成分和能譜測量方面可以互為補(bǔ)充、互相校驗(yàn)。“如果再加上計(jì)劃中的切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列進(jìn)行定點(diǎn)觀測，我們有望建成未來二十年世界上最大、最精密、最完整的宇宙線探測設(shè)施集群，引領(lǐng)國際宇宙線研究。”
?。ㄔd于《文匯報(bào)》 2021-05-18 05版）
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