建設(shè)中的高海拔宇宙線觀測站航拍圖（2020年12月28日攝）

5月17日，中國科學(xué)院高能物理研究所聯(lián)合Springer Nature召開新聞發(fā)布會，公布國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）”在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)大量超高能“宇宙加速器”，并記錄到能量達(dá)1.4拍電子伏的伽馬光子（拍=千萬億），這是人類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，開啟了“超高能伽馬天文學(xué)”時代。這些發(fā)現(xiàn)于5月17日發(fā)表在“Nature”（《自然》）。

繆子探測器（MD）

電磁粒子探測器（ED）

該研究工作由中國科學(xué)院高能物理研究所牽頭的LHAASO國際合作組完成。據(jù)LHAASO首席科學(xué)家曹臻介紹，這次報(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個月的觀測數(shù)據(jù)?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)最高能量的光子來自天鵝座內(nèi)距地球4700光年的非?；钴S的恒星形成區(qū)，還發(fā)現(xiàn)了12個超高能伽馬射線源，光子能量一直延伸到1拍電子伏附近，這是位于LHAASO視場內(nèi)最明亮的一批銀河系伽馬射線源，測到的伽馬光子信號高于背景7倍標(biāo)準(zhǔn)偏差以上，源的位置測量精度優(yōu)于0.3度。雖然這次使用的數(shù)據(jù)還很有限，但所有能被LHAASO觀測到的源，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“常識”，過去預(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拍電子伏附近會有“截?cái)?rdquo;現(xiàn)象，LHAASO的結(jié)果完全突破了這個“極限”。

曹臻介紹，這次發(fā)現(xiàn)開啟了“超高能伽馬天文”觀測時代，表明年輕的大質(zhì)量星團(tuán)、超新星遺跡、脈沖星風(fēng)云等是銀河系內(nèi)加速超高能宇宙線的最佳候選天體，有助于破解宇宙線起源這個“世紀(jì)之謎”。LHAASO的結(jié)果表明，科學(xué)家們需要重新認(rèn)識銀河系高能粒子的產(chǎn)生、傳播機(jī)制，進(jìn)一步研究極端天體現(xiàn)象及其相關(guān)的物理過程，并在極端條件下檢驗(yàn)基本物理規(guī)律。

廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡(WFCTA)

水切倫科夫探測器(WCDA)

水切倫科夫探測器內(nèi)安裝到位的部分探測器陣列

>>>對話LHAASO首席科學(xué)家曹臻

針對這次科學(xué)發(fā)現(xiàn)，本報(bào)記者就一些科學(xué)問題采訪了LHAASO首席科學(xué)家曹臻。

記者：LHAASO研究什么？它的研究有什么意義？

曹臻：宇宙線攜帶著宇宙起源、天體演化、太陽活動及地球空間環(huán)境等重要科學(xué)信息，研究宇宙線及其起源是人類探索宇宙的重要途徑。LHAASO是以宇宙線觀測研究為核心的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，位于四川省甘孜州稻城縣海拔4410米的海子山，占地面積約1.36平方公里，是由5195個電磁粒子探測器和1188個繆子探測器組成的1平方公里地面簇射粒子陣列（簡稱KM2A）、78000平方米水切倫科夫探測器、18臺廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡交錯排布組成的復(fù)合陣列。LHAASO采用四種探測技術(shù)，可以全方位、多變量地測量宇宙線。

宇宙線有一個重要的特點(diǎn)，就是能量非常高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過地球上人類能夠建造出來的人工加速器產(chǎn)生的能量。LHAASO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，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，精確測量它們從低于1TeV（1萬億電子伏，也叫“太電子伏”）到超過1 PeV（1000萬億電子伏，也叫“拍電子伏”）的寬廣能量范圍內(nèi)的能譜；測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。

記者：這次發(fā)現(xiàn)有什么科學(xué)突破？

曹臻：這次發(fā)現(xiàn)意義重大。

一是突破了人類對銀河系粒子加速的傳統(tǒng)認(rèn)知。這次發(fā)現(xiàn)揭示了銀河系內(nèi)普遍存在能夠?qū)⒘Ｗ幽芰考铀俪^1 PeV的“宇宙加速器”。過去大家普遍認(rèn)為，銀河系是一個非常溫和的星系，天體也不是很活躍，不會有高能加速器。但是LHAASO這一次觀測到，銀河系里有一些天區(qū)實(shí)際上非?；钴S，比如這次發(fā)現(xiàn)最高能量光子的天鵝座里的恒星形成區(qū)。其中充滿著大質(zhì)量恒星，它們質(zhì)量大，不穩(wěn)定，快速死亡。這樣的區(qū)域就容易產(chǎn)生高能量粒子。因此，我們這次的發(fā)現(xiàn)證明銀河系并不這么溫和穩(wěn)定，只是我們所處的太陽系位置比較穩(wěn)定。同時，LHAASO發(fā)現(xiàn)銀河系內(nèi)大量存在PeV宇宙加速源，也向著解決宇宙線起源這一科學(xué)難題邁出了至關(guān)重要的一步。

二是開啟了“超高能伽馬天文學(xué)”時代。1989年，亞利桑那州惠普爾天文臺成功發(fā)現(xiàn)了首個具有0.1 TeV以上伽馬輻射的天體，標(biāo)志著“甚高能”伽馬射線天文學(xué)時代的開啟，在隨后的30年里，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)超過200個“甚高能”伽馬射線源。直到2019年，人類才探測到首個具有“超高能”伽馬射線輻射的天體。出人意料的是，僅基于1/2規(guī)模的LHAASO不到1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。

三是能量超過1 PeV的伽馬射線光子首現(xiàn)天鵝座區(qū)域和蟹狀星云。這次發(fā)現(xiàn)使得這個本來就備受關(guān)注的天鵝座恒星形成區(qū)成為尋找超高能宇宙線源的最佳天區(qū)，也使其成為有望成為解開“世紀(jì)之謎”的突破口。另外，歷史上對蟹狀星云大量的觀測研究，使之成為幾乎唯一具有清楚輻射機(jī)制的標(biāo)準(zhǔn)伽馬射線源。然而，LHAASO測到的超高能光譜，嚴(yán)重挑戰(zhàn)了這個高能天體物理的“標(biāo)準(zhǔn)模型”，甚至于對更加基本的電子加速理論提出了挑戰(zhàn)。

記者：這次發(fā)現(xiàn)與我們的生活有什么關(guān)系？

曹臻：人類建加速器的歷史其實(shí)并不長，上世紀(jì)50年代才開始有比較大規(guī)模的粒子加速器，到現(xiàn)在有大規(guī)模的粒子加速器。人類對粒子物理的認(rèn)知，從宇宙線第一次發(fā)現(xiàn)有單個粒子的存在到現(xiàn)在對整個物質(zhì)結(jié)構(gòu)有完整的清晰的認(rèn)識，就是依賴加速器的發(fā)展所實(shí)現(xiàn)的。因此，我們也希望新的發(fā)現(xiàn)，能帶來新的知識理論。

而新的知識理論必將帶來新的技術(shù)變革。比如：20世紀(jì)初，人們認(rèn)為電磁學(xué)是解釋所有物理的理論。但是后來出現(xiàn)了量子力學(xué)、相對論……這些理論催生了半導(dǎo)體、手機(jī)、量子通信設(shè)備等，使得我們今天的生活有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。另外，為了開展粒子物理研究而研制的加速器已經(jīng)運(yùn)用在比如腫瘤治療、精密診斷、工業(yè)無損探傷等日常生活相關(guān)的領(lǐng)域，帶來了醫(yī)療、工業(yè)制造等領(lǐng)域的突飛猛進(jìn)。

記者：LHAASO的建設(shè)對于人才培養(yǎng)和國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展有什么促進(jìn)作用呢？

曹臻：LHAASO可以說是世界上最先進(jìn)的、靈敏度最高的宇宙射觀測站。主體工程于2017年開始建設(shè)，2019年4月完成1/4的規(guī)模建設(shè)并投入科學(xué)運(yùn)行。2020年1月，LHAASO完成了1/2規(guī)模的建設(shè)并投入運(yùn)行，預(yù)計(jì)今年底將全部建成并投入運(yùn)行。

LHAASO這類的大科學(xué)裝置的建設(shè)主要的設(shè)備，甚至于核心的元器件，關(guān)鍵核心技術(shù)都需要我們自主研發(fā)。我們提出了各種奇奇怪怪的、非?？量痰囊?，也使得企業(yè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、工藝規(guī)范不斷的更新升級，有的甚至達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。舉個例子，我們需要使用一種叫光電倍增管的設(shè)備，尺寸達(dá)到50厘米。這個核心器件此前只有日本一家企業(yè)會做，價格高達(dá)6萬～7萬元，還不能完全達(dá)到我們要求的效果。后來，我們與國內(nèi)的企業(yè)合作，突破并升級了該項(xiàng)技術(shù)，導(dǎo)致這個產(chǎn)品的價格在國際市場競價過程中成倍地下降。這個例子足以證明我們國家已經(jīng)具備很好的產(chǎn)業(yè)配套，大科學(xué)裝置的建設(shè)必然對相關(guān)產(chǎn)業(yè)提出創(chuàng)新性的要求，也就促使這些行業(yè)不斷去完善、實(shí)現(xiàn)技術(shù)的提升。

青藏高原天文觀測的資源非常豐富，跟隨LHAASO而來，中國科學(xué)院的空間中心又在稻城縣成功選址了子午工程二期的一個主干設(shè)備：環(huán)形相干射電望遠(yuǎn)鏡陣列。未來還有可能會引進(jìn)更多類似的大型項(xiàng)目。

我們的觀測站建成以后會吸引全球頂級的科研團(tuán)隊(duì)參與基于觀測站的相關(guān)科學(xué)研究?，F(xiàn)在已經(jīng)有很多國際同行希望參與進(jìn)來，國際上著名的大型實(shí)驗(yàn)組紛紛向我們發(fā)出邀請，希望開展合作研究，這在LHAASO建成之前的二十多年里從未出現(xiàn)過。我們的年輕科學(xué)家因此得到了更多的機(jī)會參與到國際上高水平的研究中。四川的兩所高校——西南交大和四川大學(xué)是工程建設(shè)單位。他們有很多科研人員參與其中，也作出了重要的貢獻(xiàn)，未來也將參與到更多的科研合作中來，對于高校自身的科研水平有極大的提升作用。以西南交大為例，他們現(xiàn)在已經(jīng)吸引到國際、國內(nèi)先進(jìn)研究機(jī)構(gòu)的優(yōu)秀人才，壯大了自己的隊(duì)伍，在LHAASO實(shí)驗(yàn)中開展高水平的科學(xué)研究。

（本版圖片由中國科學(xué)院高能物理研究所提供）