【文汇报】中国“拉索”发现迄今最高能光子

2021-05-18 文汇报 许琦敏

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左为“拉索”观测基地航拍；右为“拉索”在天鹅座恒星形成区首次发现了PeV伽马光子

　　17日，国际顶尖学术期刊《自然》发表了一项超高能宇宙线领域的重磅发现：位于中国四川稻城的国家重大科技基础设施“高海拔宇宙线观测站（LHAASO）” 在银河系内发现12个超高能宇宙加速器，并记录到能量达到1.4拍电子伏特（PeV）的伽马光子。这是人类迄今观测到的最高能量光子，突破了人类对银河系粒子加速的传统认知。

　　更值得一提的是，LHAASO（拉索）项目尚在建设中，此次报道的成果是基于已经建成的1/2规模探测装置，在2020年内11个月的观测数据。这意味着，随着“拉索”项目的推进，其观测灵敏度还将不断提升，势必会发现更多超高能粒子及其源头——人类天文学将迈入研究PeV宇宙线“超高能伽马天文学”时代。

　　破解宇宙线起源“世纪之谜”迈出重要一步

　　在银河系的星际空间中，宇宙线贡献了1/3的能量密度，是星际空间的重要组成部分，同时主导了星际化学和恒星形成等天体物理过程。因此，宇宙线的研究对于人类认识宇宙有重要意义。

　　自1912年发现宇宙射线以来，随着人类探测宇宙线能力的提升，所观测到的带电粒子能量不断提升。1989年，美国亚利桑那州惠普尔天文台成功发现了首个具有0.1TeV（1000TeV相当于1PeV）以上伽马辐射的天体，标志着甚高能伽马射线天文学时代的开启。

　　“过去30年里，人类发现了超过200个甚高能伽马射线源。直到2019年，人类才探测到首个具有超高能伽马射线辐射的天体。”清华大学物理系教授崔伟说，出人意料的是，仅基于“拉索”1/2规模不到一年的观测数据，就将超高能伽马射线源数量提升到了12个。

　　为何能量超过PeV的宇宙粒子如此难以探测？这是因为宇宙大爆炸产生的背景辐射会吸收高于1PeV的伽马射线，所以银河系外即使有这样的超高能射线，我们也无法探测到，而“拉索”则打开了银河系内PeV辐射探测的窗口。

　　由于过去人类无法有效观测到PeV射线，导致当前流行的理论模型认为，PeV是银河系宇宙线加速的能量极限，并预言伽马射线能谱在0.1PeV附近会有“截断”。但根据“拉索”的观测数据，这种“截断”并未出现，突破了理论预言的极限。

　　中国科学院高能物理研究所粒子天体物理中心研究员、“拉索”项目经理兼首席科学家曹臻表示，这说明科学家需要重新认识银河系高能粒子的产生、传播机制，并在极端条件下检验基本物理规律。

　　“这次‘拉索’在天鹅座恒星形成区首次发现了PeV伽马光子，探测到并证认了来自蟹状星云的约1PeV伽马光子，还在银河系内发现了12个类似的宇宙射线源，其能谱稳定延伸到PeV附近，其中探测到的伽马光子最高能量达到创纪录的1.4PeV。”曹臻说，这说明银河系内大量存在PeV宇宙加速源，人类向着解开宇宙线起源这一“世纪之谜”又迈出了至关重要的一步。

　　追踪宇宙线，“中国脚步”奋力接续60多年

　　海拔4410米，四川省稻城县海子山上，“拉索”还在加紧建设。

　　建成之后，“拉索”将成为由5195个电磁粒子探测器和1188个缪子探测器组成的一平方千米地面簇射粒子阵列、7800平方米水切伦科夫探测器、18台广角切伦科夫望远镜交错排布组成的复合阵列。采用这四种探测技术，“拉索”可以全方位、多变量地测量宇宙线。

　　由于超高能伽马光子信号非常微弱，即便是天空中最为明亮且被称为“伽马天文标准烛光”的蟹状星云，其发射出来的PeV量级光子，在一年内也只有一两个落在一平方千米的地球表面，而且还被淹没在几万个寻常光子中。曹臻介绍，“拉索”的地面簇射粒子阵列中，有1188个缪子探测器专门用于排除“杂音”，因此它所探测到的超高能粒子事件，误判率仅为万分之三。

　　在高海拔地区建造如此大规模的探测站，工程设计与实施、科研组织和后勤保障都是挑战。中科院高能所所长、中科院院士王贻芳介绍，自上世纪50年代以来，中科院高能所的科学家们就锁定宇宙线起源及其加速机制这一重大科学目标，接续奋斗了60多年。

　　1954年，中国第一个高山宇宙线实验室在海拔3180米的云南落雪山建成。1989年，在海拔4300米的西藏羊八井启动了中日合作的宇宙线实验；2000年启动中意合作天体物理地基观测研究实验。而目前在建的“拉索”则是第三代高山宇宙线实验室。

　　曹臻透露，“拉索”开发了远距时钟同步技术、多种触发模式并行、硅光电管、超大光敏面积微通道板光电倍增管技术等一系列尖端技术，大大提高了伽马射线测量的灵敏度，使人类在探索更深的宇宙、更高能量的射线等方面达到了前所未有的水平，也为开展大气、环境、空间天气等前沿交叉科研提供了重要实验平台，并成为多边国际合作共同开展高水平研究的科学基地。

　　从太空到地面，中国将引领超高能天文学发展

　　《自然》杂志物理科学领域总编辑卡尔·齐梅里斯在发给由中科院高能所牵头的“拉索”国际合作组的祝贺视频中说，这些激动人心的发现尽管还很初步，却因为部分建成的中国“拉索”项目的观测工作才成为可能，“我们已经可以肯定，银河系中存在PeV加速器，这些发现让我们距离了解高能宇宙射线起源又近了一步”。

　　就在1/2“拉索”已开始观测时，另一半“拉索”也加紧建设。到2020年底，已有3/4规模完成并投入运行。到今年年底，“拉索”阵列将全部建成，并投入长期运行。

　　事实上，国际高能物理界可期待的“中国数据”远不止即将建成的“拉索”。

　　王贻芳透露，未来，中国空间站将安装高能宇宙辐射探测设施（HERD），预计在轨运行10年以上。它将与“拉索”构成空间与地面的多维度宇宙线观测系统，在成分和能谱测量方面可以互为补充、互相校验。“如果再加上计划中的切伦科夫望远镜阵列进行定点观测，我们有望建成未来二十年世界上最大、最精密、最完整的宇宙线探测设施集群，引领国际宇宙线研究。”

　　（原载于《文汇报》 2021-05-18 05版）

　　左为“拉索”观测基地航拍；右为“拉索”在天鹅座恒星形成区首次发现了PeV伽马光子
　　17日，国际顶尖学术期刊《自然》发表了一项超高能宇宙线领域的重磅发现：位于中国四川稻城的国家重大科技基础设施“高海拔宇宙线观测站（LHAASO）” 在银河系内发现12个超高能宇宙加速器，并记录到能量达到1.4拍电子伏特（PeV）的伽马光子。这是人类迄今观测到的最高能量光子，突破了人类对银河系粒子加速的传统认知。
　　更值得一提的是，LHAASO（拉索）项目尚在建设中，此次报道的成果是基于已经建成的1/2规模探测装置，在2020年内11个月的观测数据。这意味着，随着“拉索”项目的推进，其观测灵敏度还将不断提升，势必会发现更多超高能粒子及其源头——人类天文学将迈入研究PeV宇宙线“超高能伽马天文学”时代。
　　破解宇宙线起源“世纪之谜”迈出重要一步
　　在银河系的星际空间中，宇宙线贡献了1/3的能量密度，是星际空间的重要组成部分，同时主导了星际化学和恒星形成等天体物理过程。因此，宇宙线的研究对于人类认识宇宙有重要意义。
　　自1912年发现宇宙射线以来，随着人类探测宇宙线能力的提升，所观测到的带电粒子能量不断提升。1989年，美国亚利桑那州惠普尔天文台成功发现了首个具有0.1TeV（1000TeV相当于1PeV）以上伽马辐射的天体，标志着甚高能伽马射线天文学时代的开启。
　　“过去30年里，人类发现了超过200个甚高能伽马射线源。直到2019年，人类才探测到首个具有超高能伽马射线辐射的天体。”清华大学物理系教授崔伟说，出人意料的是，仅基于“拉索”1/2规模不到一年的观测数据，就将超高能伽马射线源数量提升到了12个。
　　为何能量超过PeV的宇宙粒子如此难以探测？这是因为宇宙大爆炸产生的背景辐射会吸收高于1PeV的伽马射线，所以银河系外即使有这样的超高能射线，我们也无法探测到，而“拉索”则打开了银河系内PeV辐射探测的窗口。
　　由于过去人类无法有效观测到PeV射线，导致当前流行的理论模型认为，PeV是银河系宇宙线加速的能量极限，并预言伽马射线能谱在0.1PeV附近会有“截断”。但根据“拉索”的观测数据，这种“截断”并未出现，突破了理论预言的极限。
　　中国科学院高能物理研究所粒子天体物理中心研究员、“拉索”项目经理兼首席科学家曹臻表示，这说明科学家需要重新认识银河系高能粒子的产生、传播机制，并在极端条件下检验基本物理规律。
　　“这次‘拉索’在天鹅座恒星形成区首次发现了PeV伽马光子，探测到并证认了来自蟹状星云的约1PeV伽马光子，还在银河系内发现了12个类似的宇宙射线源，其能谱稳定延伸到PeV附近，其中探测到的伽马光子最高能量达到创纪录的1.4PeV。”曹臻说，这说明银河系内大量存在PeV宇宙加速源，人类向着解开宇宙线起源这一“世纪之谜”又迈出了至关重要的一步。
　　追踪宇宙线，“中国脚步”奋力接续60多年
　　海拔4410米，四川省稻城县海子山上，“拉索”还在加紧建设。
　　建成之后，“拉索”将成为由5195个电磁粒子探测器和1188个缪子探测器组成的一平方千米地面簇射粒子阵列、7800平方米水切伦科夫探测器、18台广角切伦科夫望远镜交错排布组成的复合阵列。采用这四种探测技术，“拉索”可以全方位、多变量地测量宇宙线。
　　由于超高能伽马光子信号非常微弱，即便是天空中最为明亮且被称为“伽马天文标准烛光”的蟹状星云，其发射出来的PeV量级光子，在一年内也只有一两个落在一平方千米的地球表面，而且还被淹没在几万个寻常光子中。曹臻介绍，“拉索”的地面簇射粒子阵列中，有1188个缪子探测器专门用于排除“杂音”，因此它所探测到的超高能粒子事件，误判率仅为万分之三。
　　在高海拔地区建造如此大规模的探测站，工程设计与实施、科研组织和后勤保障都是挑战。中科院高能所所长、中科院院士王贻芳介绍，自上世纪50年代以来，中科院高能所的科学家们就锁定宇宙线起源及其加速机制这一重大科学目标，接续奋斗了60多年。
　　1954年，中国第一个高山宇宙线实验室在海拔3180米的云南落雪山建成。1989年，在海拔4300米的西藏羊八井启动了中日合作的宇宙线实验；2000年启动中意合作天体物理地基观测研究实验。而目前在建的“拉索”则是第三代高山宇宙线实验室。
　　曹臻透露，“拉索”开发了远距时钟同步技术、多种触发模式并行、硅光电管、超大光敏面积微通道板光电倍增管技术等一系列尖端技术，大大提高了伽马射线测量的灵敏度，使人类在探索更深的宇宙、更高能量的射线等方面达到了前所未有的水平，也为开展大气、环境、空间天气等前沿交叉科研提供了重要实验平台，并成为多边国际合作共同开展高水平研究的科学基地。
　　从太空到地面，中国将引领超高能天文学发展
　　《自然》杂志物理科学领域总编辑卡尔·齐梅里斯在发给由中科院高能所牵头的“拉索”国际合作组的祝贺视频中说，这些激动人心的发现尽管还很初步，却因为部分建成的中国“拉索”项目的观测工作才成为可能，“我们已经可以肯定，银河系中存在PeV加速器，这些发现让我们距离了解高能宇宙射线起源又近了一步”。
　　就在1/2“拉索”已开始观测时，另一半“拉索”也加紧建设。到2020年底，已有3/4规模完成并投入运行。到今年年底，“拉索”阵列将全部建成，并投入长期运行。
　　事实上，国际高能物理界可期待的“中国数据”远不止即将建成的“拉索”。
　　王贻芳透露，未来，中国空间站将安装高能宇宙辐射探测设施（HERD），预计在轨运行10年以上。它将与“拉索”构成空间与地面的多维度宇宙线观测系统，在成分和能谱测量方面可以互为补充、互相校验。“如果再加上计划中的切伦科夫望远镜阵列进行定点观测，我们有望建成未来二十年世界上最大、最精密、最完整的宇宙线探测设施集群，引领国际宇宙线研究。”
　　（原载于《文汇报》 2021-05-18 05版）

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