2021年5月17日，國際著(zhù)名期刊《自然》雜志發(fā)表了我國科學(xué)家的一項重要成果：在銀河系內發(fā)現了能量達1.4拍電子伏特的伽馬光子，相當于可見(jiàn)光能量的千萬(wàn)億倍!這是人類(lèi)迄今為止探測到的最高能量的光子。

　　與此同時(shí)，科學(xué)家還觀(guān)測到銀河系內存在大量天然的 “超高能宇宙線(xiàn)加速器”。該發(fā)現改變了人類(lèi)對銀河系的傳統認知，開(kāi)啟了“超高能伽馬天文學(xué)”時(shí)代。

　　
 

　　圖注：高能宇宙線(xiàn)轟擊地球大氣，產(chǎn)生的“空氣簇射”現象(示意圖)。

　　上面這段話(huà)，是否感覺(jué)每個(gè)字都認識，但讀完之后還是覺(jué)得似懂非懂呢?不懂是正?，F象。因為本來(lái)高能物理就是物理學(xué)皇冠上的明珠，是非常窄重的領(lǐng)域，再加上這又是一項最新的成果。我們在這里把物理名詞一個(gè)個(gè)拆解一下，詳細解讀。

　　什么是1.4拍電子伏特伽馬光子?

　　拍(P)是一個(gè)單位，代表10^15次方，也就是1千萬(wàn)億。例如，目前硬盤(pán)的容量能夠達到1T，1P等于1000T。

　　“電子伏特”是能量的單位，通常在微觀(guān)領(lǐng)域使用，表示一個(gè)電子通過(guò)1伏特的電壓所獲得的能量。例如，當一個(gè)電子從一節1.5伏的干電池的負極運動(dòng)到正極，就能獲得1.5電子伏特的能量。我們周?chē)?，可?jiàn)光的能量大約就是幾個(gè)電子伏特。

　　能量的主單位是焦耳，1焦耳相當于625億億電子伏特。而你的手掌，在1秒內就能釋放大約1焦耳能量?？梢?jiàn)，在宏觀(guān)領(lǐng)域，電子伏特是非常小的單位。

　　
 

　　圖注：電磁波譜。

　　大家可能都聽(tīng)說(shuō)過(guò)，光具有波粒二象性，在電磁波譜能量比較高的一端，光的粒子性比較顯著(zhù)，當光子的能量達到100千電子伏特以上時(shí)，人們就開(kāi)始稱(chēng)其為伽馬光子。通常，某些原子核的衰變能夠產(chǎn)生伽馬光子，例如能夠治療腦腫瘤的“伽馬刀”，就是利用鈷60釋放的伽馬射線(xiàn)殺死腫瘤細胞。

　　我們每年的例行體檢中都會(huì )拍胸片，則是利用的比伽馬光子能量低一些的X光子。

　　綜上所述，也就是說(shuō)，這次我國科學(xué)家利用新建的高海拔宇宙線(xiàn)觀(guān)測站(LHAASO)觀(guān)測到了能量為1.4拍電子伏特的伽馬光子，能量比普通的伽馬光子要大幾十億倍。

　　發(fā)現這種拍電子伏特光子有什么意義嗎?

　　理論上，單個(gè)光子的能量似乎沒(méi)有上限，著(zhù)名科幻小說(shuō)《三體》中描繪說(shuō)，宇宙中的超級文明通過(guò)釋放“光粒”就能摧毀一顆恒星。

　　但現實(shí)中，來(lái)自宇宙中的高能光子的能量有一個(gè)較明確的上限，這個(gè)上限是由于宇宙中到處充斥著(zhù)宇宙微波背景輻射的緣故。微波背景輻射無(wú)處不在，古老電視屏幕跳動(dòng)的雪花中，大約有1%是由于微波背景輻射干擾的結果。

　　當高能光子遇到宇宙微波背景輻射中的這些低能光子時(shí)，就會(huì )發(fā)生碰撞消耗能量。理論上，當光子的能量達到拍電子伏特時(shí)，就無(wú)法繼續升高了。也就是說(shuō)，這次我國科學(xué)家觸碰到了高能光子能量的實(shí)際上限，極限附近最容易發(fā)現新物理，當然意義重大了。

　　因此，該發(fā)現改變了人類(lèi)對銀河系的傳統認知，也開(kāi)啟了“超高能伽馬天文學(xué)”時(shí)代。

　　此外，超高能宇宙線(xiàn)的來(lái)源和產(chǎn)生機制一直困擾著(zhù)高能天體物理學(xué)家。其實(shí)，宇宙中能量更高的射線(xiàn)是高能質(zhì)子，人類(lèi)早已探測到能量比這次“拍電子伏特光子”能量還高數萬(wàn)倍的高能質(zhì)子，這種微觀(guān)粒子的能量可相當于一枚飛行的棒球。

　　但質(zhì)子是帶電荷的，它們在宇宙中穿行的過(guò)程中會(huì )受到星際磁場(chǎng)的偏轉，因此無(wú)法追溯其來(lái)源，也就無(wú)法研究其產(chǎn)生機制。高能光子則不一樣，它們是不帶電的，能夠追溯其起源的地方，也就為研究超高能宇宙線(xiàn)的加速機制鎖定了研究對象。

　　什么是“超高能宇宙線(xiàn)加速器”?

　　加速器就是提升帶電粒子能量的裝置，老式電視機顯像管其實(shí)就是一種加速器，能夠加速電子轟擊屏幕發(fā)光。目前，世界上最大的歐洲大型強子對撞機(LHC)也是一種類(lèi)型的加速器，能夠把質(zhì)子加速到99.999999%的光速，然后讓兩束這樣的近光速粒子流發(fā)生迎頭碰撞，產(chǎn)生大量次級粒子，觀(guān)察其中發(fā)生的物理現象。

　　
 

　　圖注：大型強子對撞機的加速管道。

　　我們知道，宇宙中到處都有高能粒子(射線(xiàn))，這些粒子的能量同樣是靠某種天然的加速機產(chǎn)生，能夠產(chǎn)生高能粒子的地方，就可看作宇宙天然加速器了。這些天然加速器的加速能力可了不得，這次發(fā)現的1.4拍電子伏特光子的能量相當于LHC中質(zhì)子能量的幾百倍。

　　這次，我國新建的高海拔宇宙線(xiàn)觀(guān)測站(LHAASO)除發(fā)現了這顆能量達1.4拍電子伏特的光子之外，還發(fā)現了12個(gè)“拍電子伏特超高能宇宙線(xiàn)加速器”，這表明銀河系內普遍存在此種類(lèi)型的天然加速器。

　　這些高能粒子的加速機制是什么呢?現有的高能粒子加速機制，已無(wú)法完美解釋本次的新發(fā)現，亟需構建新的理論模型。

　　什么是高海拔宇宙線(xiàn)觀(guān)測站?

　　高海拔宇宙線(xiàn)觀(guān)測站(LHAASO，Large High Altitude Air Shower Observatory)是世界上海拔最高(4410米)、規模最大、靈敏度最強的宇宙線(xiàn)探測裝置。

　　
 

　　圖注：LHAASO遠景圖。(來(lái)源：高能物理所)。

　　高海拔宇宙線(xiàn)觀(guān)測站位于中國四川省稻城縣海子山，占地面積約1.36平方公里。其核心科學(xué)目標是：探索高能宇宙線(xiàn)起源以及相關(guān)的宇宙演化和高能天體活動(dòng)，并尋找暗物質(zhì);廣泛搜索宇宙中尤其是銀河系內部的伽馬射線(xiàn)源，并精確測量它們的能譜;揭示宇宙線(xiàn)加速和傳播的規律，探索新物理前沿。

　　LHAASO采用什么原理探測宇宙線(xiàn)的?

　　我們知道，LHAASO雖然位于高海拔，但仍然處于大氣中，當高能宇宙線(xiàn)來(lái)到地球后，首先要與大氣層中的原子核發(fā)生碰撞，根據愛(ài)因斯坦的質(zhì)能公式，能夠產(chǎn)生次級粒子，次級粒子還會(huì )產(chǎn)生次級粒子，直到能量低于某個(gè)臨界值時(shí)，次級粒子才停止產(chǎn)生。

　　這樣，一顆高能粒子，就能產(chǎn)生N多次級粒子，這些次級粒子像陣雨一樣灑向地面，灑向探測器，專(zhuān)業(yè)上稱(chēng)為“空氣簇射”。

　　因此，探測器直接探測到的，實(shí)際上是這些次級粒子。通過(guò)測量這些次級粒子的性質(zhì)，反推第一個(gè)高能粒子的性質(zhì)。

　　
 

　　圖注：高能粒子產(chǎn)生大氣簇射，LHAASO各探測器對簇射的觀(guān)測(示意圖)來(lái)源：《自然》雜志。

　　那么，LHAASO采用什么方式探測的呢?LHAASO采用了四種探測器符合測量這些次級粒子。

　　1、電磁粒子探測器陣列：用于測量宇宙線(xiàn)空氣簇射中的次級電磁粒子，對原初宇宙線(xiàn)的方向，芯位和能量進(jìn)行重建。探測介質(zhì)為塑料閃爍體，通過(guò)波長(cháng)位移光纖收集帶電粒子在閃爍體內產(chǎn)生的閃爍光,并傳導到光電倍增管，轉換為電信號進(jìn)行測量。

　　2、繆子探測器(MD)陣列：用于測量宇宙線(xiàn)空氣簇射中的繆子含量?；緲嬙焓窃诮Y構體體內放置高反射率水袋，水袋內裝超純水，水袋頂部中心安裝光電倍增管，收集進(jìn)入水體的繆子在水中產(chǎn)生的切倫科夫光，轉換為電信號進(jìn)行測量。

　　3、水切倫科夫探測器陣列：通過(guò)觀(guān)測廣延空氣簇射中的次級粒子在水中產(chǎn)生的切倫科夫光，達到在甚高能中低能段對整個(gè)北天區伽馬源巡天觀(guān)測的目的，經(jīng)過(guò)數據分析，可以重建出原初伽馬射線(xiàn)或宇宙線(xiàn)的到達方向、能量等參數等。

　　4、廣角切倫科夫望遠鏡陣列：測量高能宇宙線(xiàn)或高能伽馬射線(xiàn)通過(guò)簇射在大氣中產(chǎn)生的切倫科夫光或熒光。借助望遠鏡獨有的可移動(dòng)特性，通過(guò)階段性陣列布局調整，聯(lián)合其他探測器，精確測量宇宙線(xiàn)成份能譜。

　　我國的宇宙線(xiàn)研究發(fā)展簡(jiǎn)史

　　我國的宇宙線(xiàn)實(shí)驗研究經(jīng)歷了三個(gè)階段，目前在建的LHAASO是第三代高山宇宙線(xiàn)實(shí)驗室。

　　高山實(shí)驗能夠充分利用大氣作為探測介質(zhì)，在地面進(jìn)行觀(guān)測，探測器規?？蛇h大于大氣層外的天基探測器。由于超高能量宇宙線(xiàn)數量稀少，這是唯一的觀(guān)測手段。

　　1954年，中國第一個(gè)高山宇宙線(xiàn)實(shí)驗室在海拔3180米的云南東川落雪山建成。

　　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(xiàn)實(shí)驗;

　　2000年，啟動(dòng)中意ARGO實(shí)驗。

　　2009年，在北京香山科學(xué)會(huì )議上，曹臻研究員提出在高海拔地區建設大型復合探測陣列“高海拔宇宙線(xiàn)觀(guān)測站”的完整構想。

　　LHAASO的主體工程于2017年開(kāi)始建設，2019年4月完成1/4的規模建設并投入科學(xué)運行。

　　2020年1月，LHAASO完成了1/2規模的建設并投入運行，同年12月完成3/4規模并投入運行。

　　2021年，LHAASO陣列將全部建成，成為國際領(lǐng)先的超高能伽馬探測裝置，投入長(cháng)期運行，從多個(gè)方面展開(kāi)宇宙線(xiàn)起源的探索性研究。