中國科學院高能實體研究所17日公布，國家重大科技基礎設施“高海拔宇宙線觀測站“拉索”（LHAASO）”記錄到1400萬億電子伏特（1.4PeV）的伽馬光子，這是人類迄今觀測到的最高能量光子，有助于進一步解開宇宙線的奧秘。
對此，《自然》實體科學總編輯卡爾·澤梅裡斯評論道，這些激動人心的發現盡管還很初步，但卻因為部分建成的“拉索”的觀測工作才成為可能。未來待“拉索”全部完工後，相信還會發現更多這樣的伽馬源。這些發現讓我們離了解高能宇宙線起源又近了一步。
宇宙線是什麼線？
宇宙線是星際空間中的高能帶電粒子，于1912年由奧地利實體學家維克托·赫斯發現，後者也是以榮膺1936年的諾貝爾實體學獎。人們探測到的宇宙線粒子中約90%是質子，9%是氦原子核，更重的原子核及電子等其它粒子占剩下的1%。
在銀河系的星際空間中，宇宙線貢獻了1/3的能量密度，是星際空間的重要組成部分，同時主導了星際化學和恒星形成等天體實體過程。是以，宇宙線的研究對于人類認識宇宙有重要意義。
對于目前的人類文明來說，1PeV是一個難以企及的能量，相比起來，目前地球上最大的人造粒子加速器（即歐洲核子研究中心的LHC）能夠加速粒子的極限能量僅為0.01PeV左右。這些宇宙線的起源天體相當于天然的粒子實體實驗室，找到這些天體并研究它們的特性不僅是人類認識了解宇宙的一個重要裡程碑，也可能成為突破目前基礎實體學架構的關鍵一步。
裡程碑式的新發現
宇宙線起源是一個前沿科學問題。以往觀測尚未發現銀河系内有将宇宙線加速到1PeV以上的天體。今年4月初，中科院高能實體研究所曾公布，西藏 ASγ實驗觀測到最高能量達957萬億電子伏特的超高能伽馬射線，非常接近1P。
中科院高能實體研究所研究員曹臻介紹，其團隊此次發現能量超過1PeV的光子，來自天鵝座内非常活躍的恒星形成區，此外還發現12個穩定伽馬射線源，輻射能量一直延伸到1PeV附近。
“這表明銀河系内大量存在可将宇宙線加速到1PeV的‘拍電子伏特宇宙線加速器’(PeVatron)，它們都是超高能宇宙線源的候選者，這就向着解決宇宙線起源這一科學難題邁出了重要一步。”曹臻說。
據介紹，此次發現表明，年輕的大品質星團、超新星遺迹、脈沖星風雲等，是銀河系超高能宇宙線起源的最佳候選天體。同時，此次發現也要求科學家重新認識銀河系高能粒子的産生、傳播機制，探索極端天展現象及其相關的實體過程，并在極端條件下檢驗基本實體規律。
高海拔宇宙線觀測站位于四川省稻城縣海拔4410米的海子山，目前仍在建設中。這次報道的成果是基于已經建成的1/2規模探測裝置，在2020年内11個月的觀測資料。研究成果17日在國際知名學術期刊《自然》發表。
中國有望領跑全球宇宙線研究
中國的宇宙線實驗研究經曆了三個階段，目前在建的拉索是第三代高山宇宙線實驗室。
高海拔宇宙線觀測站“拉索”
曹臻介紹說，高山實驗能夠充分利用大氣作為探測媒體，在地面進行觀測，探測器規模可遠大于大氣層外的天基探測器。對于超高能量的宇宙線，這是唯一的觀測手段。
拉索的主體工程于2017年開始建設，2019年4月完成1/4的規模建設并投入科學運作，邊建設、邊運作。2020年1月完成了1/2規模的建設并投入運作，同年12月完成3/4規模并投入運作。預計2021年底将全部建成。
研究員何會海認為，拉索項目最大的創新之處，就是把好幾種探測技術結合在一起。“此前，在宇宙線研究領域裡，一般一個實驗就使用一種探測技術。這種單一探測技術的弊端是隻能測一種東西。在拉索實驗裡，我們把4種探測器放在一起，共同來測量同一個事例，測完之後把所有的變量綜合起來分析，就可以做出非常精細的測量。”
此外，拉索還開發了遠距時鐘同步技術，確定整個陣列的每個探測器同步精度可達亞納秒水準。同時，拉索還首次大規模使用矽光電管、超大光敏面積微通道闆光電倍增管等先進探測技術，大大提高了伽馬射線測量的空間分辨率，使人類在探索更深的宇宙、更高能量的射線等方面，達到前所未有的水準。
“目前，項目已獲得國際同行高度關注和認可，俄羅斯、瑞士、波蘭等國科學家希望把裝置搬到這裡，一些國際上代表性實驗組也表達了合作及聯合觀測的願望。拉索建成後，中國有望在宇宙線研究領域實作全球領跑。”曹臻說。
來源：中國科普網 綜合報道自新華社、人民日報、科技日報等
編輯：吳桐
稽核：王飛
終審：陳磊
圖檔來源：中科院高能所
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