建設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設施“高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）”在銀河系內發(fā)現(xiàn)大量超高能“宇宙加速器”，并記錄到能量達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)認知，開啟了“超高能伽馬天文學”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首席科學家曹臻介紹，這次報道的成果是基于已經建成的1/2規(guī)模探測裝置，在2020年內11個月的觀測數(shù)據(jù)?？茖W家發(fā)現(xiàn)最高能量的光子來自天鵝座內距地球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倍標準偏差以上，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。銀河系內的宇宙線加速器存在能量極限是個“常識”，過去預言的極限就在拍電子伏附近，從而預言的伽馬射線能譜在0.1拍電子伏附近會有“截斷”現(xiàn)象，LHAASO的結果完全突破了這個“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，表明年輕的大質量星團、超新星遺跡、脈沖星風云等是銀河系內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“世紀之謎”。LHAASO的結果表明，科學家們需要重新認識銀河系高能粒子的產生、傳播機制，進一步研究極端天體現(xiàn)象及其相關的物理過程，并在極端條件下檢驗基本物理規(guī)律。

廣角切倫科夫望遠鏡(WFCTA)

水切倫科夫探測器(WCDA)

水切倫科夫探測器內安裝到位的部分探測器陣列

>>>對話LHAASO首席科學家曹臻

針對這次科學發(fā)現(xiàn)，本報記者就一些科學問題采訪了LHAASO首席科學家曹臻。

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設施，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鏡交錯排布組成的復合陣列。LHAASO采用四種探測技術，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，就是能量非常高，遠遠超過地球上人類能夠建造出來的人工加速器產生的能量。LHAASO的核心科學目標是探索高能宇宙線起源以及相關的宇宙演化和高能天體活動，并尋找暗物質；廣泛搜索宇宙中尤其是銀河系內部的伽馬射線源，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)認知。這次發(fā)現(xiàn)揭示了銀河系內普遍存在能夠將粒子能量加速超過1 PeV的“宇宙加速器”。過去大家普遍認為，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)實際上非常活躍，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)。其中充滿著大質量恒星，它們質量大，不穩(wěn)定，快速死亡。這樣的區(qū)域就容易產生高能量粒子。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)銀河系內大量存在PeV宇宙加速源，也向著解決宇宙線起源這一科學難題邁出了至關重要的一步。

二是開啟了“超高能伽馬天文學”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，標志著“甚高能”伽馬射線天文學時代的開啟，在隨后的30年里，已經發(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制的標準伽馬射線源。然而，LHAASO測到的超高能光譜，嚴重挑戰(zhàn)了這個高能天體物理的“標準模型”，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系？

曹臻：人類建加速器的歷史其實并不長，上世紀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)在對整個物質結構有完整的清晰的認識，就是依賴加速器的發(fā)展所實現(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變革。比如：20世紀初，人們認為電磁學是解釋所有物理的理論。但是后來出現(xiàn)了量子力學、相對論……這些理論催生了半導體、手機、量子通信設備等，使得我們今天的生活有了突飛猛進的發(fā)展。另外，為了開展粒子物理研究而研制的加速器已經運用在比如腫瘤治療、精密診斷、工業(yè)無損探傷等日常生活相關的領域，帶來了醫(yī)療、工業(yè)制造等領域的突飛猛進。

記者：LHAASO的建設對于人才培養(yǎng)和國家產業(yè)發(fā)展有什么促進作用呢？

曹臻：LHAASO可以說是世界上最先進的、靈敏度最高的宇宙射觀測站。主體工程于2017年開始建設，2019年4月完成1/4的規(guī)模建設并投入科學運行。2020年1月，LHAASO完成了1/2規(guī)模的建設并投入運行，預計今年底將全部建成并投入運行。

LHAASO這類的大科學裝置的建設主要的設備，甚至于核心的元器件，關鍵核心技術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螅彩沟闷髽I(yè)的技術標準、工藝規(guī)范不斷的更新升級，有的甚至達到了世界領先水平。舉個例子，我們需要使用一種叫光電倍增管的設備，尺寸達到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6萬～7萬元，還不能完全達到我們要求的效果。后來，我們與國內的企業(yè)合作，突破并升級了該項技術，導致這個產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具備很好的產業(yè)配套，大科學裝置的建設必然對相關產業(yè)提出創(chuàng)新性的要求，也就促使這些行業(yè)不斷去完善、實現(xiàn)技術的提升。

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備：環(huán)形相干射電望遠鏡陣列。未來還有可能會引進更多類似的大型項目。

我們的觀測站建成以后會吸引全球頂級的科研團隊參與基于觀測站的相關科學研究?，F(xiàn)在已經有很多國際同行希望參與進來，國際上著名的大型實驗組紛紛向我們發(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。我們的年輕科學家因此得到了更多的機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是工程建設單位。他們有很多科研人員參與其中，也作出了重要的貢獻，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)在已經吸引到國際、國內先進研究機構的優(yōu)秀人才，壯大了自己的隊伍，在LHAASO實驗中開展高水平的科學研究。

（本版圖片由中國科學院高能物理研究所提供）