5月17日，一場(chǎng)高能物理學(xué)界備受關(guān)注的發(fā)布會(huì)在北京舉行。中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所、Springer Nature聯(lián)合發(fā)布了國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“高海拔宇宙線觀測(cè)站(LHAASO)”的重大發(fā)現(xiàn)。

發(fā)布會(huì)現(xiàn)場(chǎng)

          LHAASO在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)大量超高能宇宙加速器，并記錄到最高1.4拍電子伏伽馬光子(拍=千萬(wàn)億)。這是人類(lèi)觀測(cè)到的最高能量光子，突破了人類(lèi)對(duì)銀河系粒子加速的傳統(tǒng)認(rèn)知，開(kāi)啟 “超高能伽馬天文學(xué)”的時(shí)代。這些發(fā)現(xiàn)于2021年5月17日發(fā)表在《Nature》(自然)。該研究工作由中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所牽頭的LHAASO國(guó)際合作組完成。

          高海拔宇宙線觀測(cè)站尚在建設(shè)中，這次報(bào)道的成果是基于已經(jīng)建成的1/2規(guī)模探測(cè)裝置，在2020年內(nèi) 11個(gè)月的觀測(cè)數(shù)據(jù)。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了能量超過(guò)拍電子伏的光子，來(lái)自天鵝座內(nèi)非常活躍的恒星形成區(qū)。

          百度云

          航拍LHAASO

          此外，科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)了12個(gè)穩(wěn)定伽馬射線源，能量一直延伸到1 拍電子伏附近。這是位于LHAASO視場(chǎng)內(nèi)銀河系內(nèi)最明亮的一批伽馬射線源，測(cè)到的伽馬光子信號(hào)高于背景7倍標(biāo)準(zhǔn)偏差以上，源的位置測(cè)量精度優(yōu)于0.3°。

LHAASO四分之三陣列(攝于2020.12.28)

          LHAASO項(xiàng)目首席科學(xué)家、中科院高能所研究員曹臻介紹，這次觀測(cè)積累的數(shù)據(jù)還很有限，但所有能被LHAASO觀測(cè)到的源，它們都具有0.1拍電子伏以上的伽馬輻射，也叫“超高能伽馬輻射”。

          “這表明銀河系內(nèi)遍布拍電子伏加速器。”而人類(lèi)在地球上建造的最大加速器(歐洲核子研究中心的LHC)只能將粒子加速到0.01拍電子伏。

          銀河系內(nèi)的宇宙線加速器存在能量極限是個(gè)“常識(shí)”，過(guò)去預(yù)言的極限就在拍電子伏附近，從而預(yù)言的伽馬射線能譜在0.1 拍電子伏附近有“截?cái)唷爆F(xiàn)象。

           LHAASO的發(fā)現(xiàn)完全突破了這個(gè)“極限”——大多數(shù)源沒(méi)有截?cái)唷?/p>

LHAASO傍晚

          這些發(fā)現(xiàn)開(kāi)啟 “超高能伽馬天文”觀測(cè)時(shí)代，表明年輕的大質(zhì)量星團(tuán)、超新星遺跡、脈沖星風(fēng)云等是銀河系加速超高能宇宙線的最佳候選天體。

廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列

           曹臻表示，這些發(fā)現(xiàn)有助于破解宇宙線起源這個(gè)“世紀(jì)之謎”，同時(shí)，科學(xué)家也需要重新認(rèn)識(shí)銀河系高能粒子的產(chǎn)生、傳播機(jī)制，探索極端天體現(xiàn)象及其相關(guān)的物理過(guò)程，并在極端條件下檢驗(yàn)基本物理規(guī)律。

          百度云

          航拍LHAASO

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          宇宙線：宇宙高能“子彈”

           廣袤宇宙中除了繁星，還隱藏一個(gè)秘密。無(wú)數(shù)粒子正以接近光的速度飛馳，它們就是宇宙線。

          1912年奧地利物理學(xué)家維克多·赫斯意外發(fā)現(xiàn)了宇宙線。這些產(chǎn)生于宇宙深處的高能“子彈”，把人類(lèi)對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)深入到粒子層面，并把無(wú)限小的微觀世界與無(wú)限大的宇觀世界聯(lián)系起來(lái)。

          科學(xué)發(fā)現(xiàn)，在靠近地球的太空中，每分鐘約有一個(gè)宇宙線粒子穿過(guò)一枚硬幣大小的面積。宇宙線中90%是質(zhì)子，其次是氦核，約占9%，剩下是其他各種元素的原子核、少量光子、電子、中微子以及反物質(zhì)粒子等。

          宇宙線發(fā)現(xiàn)后的100多年來(lái)，與之相關(guān)的研究獲得5次諾貝爾獎(jiǎng)，但人類(lèi)還不清楚高能宇宙線的主要來(lái)源。什么樣的物理過(guò)程把這些粒子加速到如此高的能量?它們飛往地球的旅途中經(jīng)歷了什么?它們?cè)谟钪嫜莼麟A段起什么作用?

          世界各國(guó)紛紛投入資金與設(shè)備對(duì)其展開(kāi)研究，中、美、俄、日、德等國(guó)家建有宇宙線觀測(cè)站。

          高海拔宇宙線觀測(cè)站(LHAASO)：捕捉”天外來(lái)客“

          以宇宙線觀測(cè)研究為核心的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，位于四川省稻城縣海拔4410米的海子山，占地面積約1.36平方公里，是由5195個(gè)電磁粒子探測(cè)器和1188個(gè)繆子探測(cè)器組成的一平方公里地面簇射粒子陣列(簡(jiǎn)稱(chēng)KM2A)、78000平方米水切倫科夫探測(cè)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。LHAASO采用這四種探測(cè)技術(shù)，可以全方位、多變量地測(cè)量宇宙線。

雪中觀測(cè)基地(2020.4.27攝)

          高海拔宇宙線觀測(cè)站的核心科學(xué)目標(biāo)是：探索高能宇宙線起源以及相關(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(nèi)部的伽馬射線源，精確測(cè)量它們從低于1TeV(1萬(wàn)億電子伏，也叫“太電子伏”)到超過(guò)1 PeV(1000萬(wàn)億電子伏，也叫“拍電子伏”)的寬廣能量范圍內(nèi)的能譜;測(cè)量更高能量的彌散宇宙線的成分與能譜，揭示宇宙線加速和傳播的規(guī)律，探索新物理前沿。