1400萬億電子伏特！《自然》審稿人：這個發現标志着“新時代的開始”

作者|羌思傑

2020年4月初的一天，像往常一樣，中國科學院高能實體研究所副研究員王淩宇坐在電腦前分析高空宇宙線天文台（LHAASO）收集的資料。

很快，一個異常的信号進入了她的視線。經過幾次反複檢查，她決定告訴她的同僚兼研究員陳松軍，她已經将呼吸調整到最平靜的音調，說："LHAASO似乎看到了一個超高能伽馬光子。"

"什麼！"陳松大吃一驚。在與王淩宇核實了幾次後，他們決定通過電子郵件向LHAASO首席科學家曹偉報告情況。消息的末尾寫着："正确或錯誤需要進一步判斷！"

三個月後，事實證明，王淩宇的直覺并沒有錯，這确實是LHAASO從銀河系看到的第一個超高能伽馬光子，能量為1.4PeV（萬億電子伏特），這意味着光源是超高能宇宙線加速器。從那時起，有越來越多的例子，并且越來越多的證據表明，與理論實體學家的判斷相反，銀河系中的宇宙線加速器将粒子能量加速超過1 PeV是普遍存在的。研究結果于5月17日發表在《自然》雜志上。

這是第一次在天鵝座區域發現了超過1000億電子伏特的伽馬光子。中國科學院高能實體研究所圖示

尋找12個超高能宇宙線加速器

"看到這些結果，我已經受夠了這一生。

一般來說，0.1PeV意味着進入"超高能"實體學領域。

實體學家費米計算出，使用人類加速器技術，加速器必須通過與0.1 PeV的光碰撞，以質子能量的千分之一（10，000公裡）繞地球運作。

在地球上建造這麼大的加速器幾乎是不可能的。是以，這位實驗實體學家将目光投向了浩瀚的宇宙。他們想知道宇宙中是否有超高能加速器可以将粒子加速到0.1PeV。如果是這樣，它的加速機制是什麼？

LHAASO的Km2A旨在尋找這種超高能宇宙線加速器。

當王淩宇看到第一個超高能伽馬光子信号時，LHAASO的KM2A剛剛建成一半，裝置還在調試中。直到三個月後，他們才謹慎地排除了誤差，确定他們之前看到的超高能伽馬光子信号不是由統計誤差或儀器故障引起的。同時，他們在LHAASO排列的望遠鏡上發現了相同的光信号，證明了信号的真實性。随着第一個超高能伽馬光子的确認，調試的裝置很快發現了許多類似的超高能光子。

這一次，他們宣布了LHAASO發現的12種超高能伽馬源。其中第一個被發現具有伽馬光子，能量高達1.4PeV，來自Cygy地區。

這些超高能伽馬光源被科學家稱為"超高能宇宙線加速器"，他們一生都在追求。

看到這篇論文的匿名評論者驚呼，LHAASO的發現是一個"真正的突破"，标志着"一個新時代的開始"。

ARGO-YBJ實驗的發言人，LHAASO的科學顧問和實驗意大利方面的發言人B.D. Ettorre表示，結果"照亮了廣闊的非熱宇宙中壯麗的河流和山脈"。

在得知LHAASO發現了如此多的超高能宇宙線加速器後，國際天體實體學家兼LHAASO夥伴關系的科學顧問F. Aharonian直言不諱地說："看到這些結果，我還活着！""

将理論實體學推離舒适區

"再來一兩個，我們就完成了。

1989年，粒子天體實體學家發現了第一個能夠發射0.1TeV（萬億電子伏特）光子的銀河系天體，開辟了"非常高能"的伽馬射線天文學。在接下來的20年裡，他們檢測到光能接近0.1PeV，但他們從未達到這個極限。

是以，理論實體學家已經确定在0.1PeV處存在超高能量截斷。換句話說，他們認為銀河系中沒有超高能宇宙線加速器。

然而，與理論實體學家相比，曹瑜等實驗實體學家更願意相信超高能光子并不存在，而是受到人類探測能力的限制。

"這種光子的數量非常少，光超過1PeV，平方公裡探測器每年隻能接收一兩個最亮的光源，而這兩個光子被淹沒在大約數十萬個宇宙線信号中。"曹說。

是以，他們試圖降低宇宙信号并提高探測器的靈敏度。2019年，人類将探測到第一個發射超高能光子的物體，但這一發現對超高能截斷理論的影響有限，因為沒有其他探測器觀察到可以證明的信号。

有了這樣的正手，LHAASO的設計配備了陣列和望遠鏡。這可以提高LHAASO探測伽馬光子的靈敏度，觀測結果可以互相證明，最終推翻了原來對超高能截斷的判斷。

"理論實體學家習慣于判斷超高能量截斷點，以滿足現有的理論期望。但LHAASO的結果出來了，它不一樣，這種"舒适"被摧毀了。這對理論家來說是一個令人頭疼的問題。"曹說。

一位理論實體學家曾經私下裡和曹操道："你再測量一兩個超高能光子，我們就要完全完成了！"

曹德旺告訴《中國科學日報》，自然界是有極限的，是以超高能量截斷一定存在。那麼，超高能量截斷究竟在哪裡呢？"我們不知道，超高能伽馬光子還在進入LHAASO的視線，我們看到光譜在PeV之後還在延伸。"曹說。

首次亮相的是C位

"宇宙總是超出你的想象。

這些結果是在LHAASO初始營運的前11個月内發現的，也是LHAASO宣布的第一批科學結果。

LHAASO由一系列高能粒子探測器組成，分布在1.3平方公裡的面積上。主體工程于2017年11月開工建設，到2020年1月，陣列建設将分半完成，逐漸投入營運。

"不到一年的觀測證明了LHAASO強大的科學發現的力量。每一次提到這一點，曹瑜都難以掩飾自己的興奮。

因為很多科學家堅信在0.1PeV時存在超高能截斷，曹琦等人提出了LHAASO方案，遭到了強烈的質疑："你花了這麼多錢來建造這個東西，将來可能什麼也看不到。"

不過，曹瑜等人堅信："宇宙總會超出你的想象，隻要探測靈敏度達到，一定會看到新的現象！"

在懷疑論中，他們将LHAASO的主要能源區域定為超高能量。"現在它似乎非常成功。我們很幸運，"上帝"确實有這樣一個高能量加速器。我們赢了！曹說，LHAASO已成為超高能實體學中最靈敏的探測器。

關于未來的LHAASO研究計劃，曹說，2021年，LHAASO将完成所有建設項目。為了探索更多的超高能宇宙線加速器并全覆寫測量其能譜，LHAASO建立了水切倫科夫探測器陣列（WCDA），使LHAASO能夠對10個能量等的超高能宇宙線加速器進行多波段研究，以探索其發光機制及其背後的粒子加速機制。

此外，由于尚無法确定超高能伽馬光子産生的機制，LHAASO團隊正在進行一項多信使研究，通過檢測超高能光子在出現時是否伴随着相應的超高能中微子，來确定它們是否由質子碰撞産生。

銀河系的宇宙線永遠不會耗盡，科學家的探索是無止境的。正如曹偉在《拉亞索年鑒》前言中所寫："這一切都是拉亞索傳奇的開始，曙光，一縷穿透高能伽馬天空的光芒。

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https://doi.org/10.1038/s41586-021-03498-z