中国科学院高能物理研究所17日公布，国家重大科技基础设施“高海拔宇宙线观测站“拉索”（LHAASO）”记录到1400万亿电子伏特（1.4PeV）的伽马光子，这是人类迄今观测到的最高能量光子，有助于进一步解开宇宙线的奥秘。
对此，《自然》物理科学总编辑卡尔·泽梅里斯评论道，这些激动人心的发现尽管还很初步，但却因为部分建成的“拉索”的观测工作才成为可能。未来待“拉索”全部完工后，相信还会发现更多这样的伽马源。这些发现让我们离了解高能宇宙线起源又近了一步。
宇宙线是什么线？
宇宙线是星际空间中的高能带电粒子，于1912年由奥地利物理学家维克托·赫斯发现，后者也因此荣膺1936年的诺贝尔物理学奖。人们探测到的宇宙线粒子中约90%是质子，9%是氦原子核，更重的原子核及电子等其它粒子占剩下的1%。
在银河系的星际空间中，宇宙线贡献了1/3的能量密度，是星际空间的重要组成部分，同时主导了星际化学和恒星形成等天体物理过程。因此，宇宙线的研究对于人类认识宇宙有重要意义。
对于目前的人类文明来说，1PeV是一个难以企及的能量，相比起来，目前地球上最大的人造粒子加速器（即欧洲核子研究中心的LHC）能够加速粒子的极限能量仅为0.01PeV左右。这些宇宙线的起源天体相当于天然的粒子物理实验室，找到这些天体并研究它们的特性不仅是人类认识理解宇宙的一个重要里程碑，也可能成为突破当前基础物理学框架的关键一步。
里程碑式的新发现
宇宙线起源是一个前沿科学问题。以往观测尚未发现银河系内有将宇宙线加速到1PeV以上的天体。今年4月初，中科院高能物理研究所曾公布，西藏 ASγ实验观测到最高能量达957万亿电子伏特的超高能伽马射线，非常接近1P。
中科院高能物理研究所研究员曹臻介绍，其团队此次发现能量超过1PeV的光子，来自天鹅座内非常活跃的恒星形成区，此外还发现12个稳定伽马射线源，辐射能量一直延伸到1PeV附近。
“这表明银河系内大量存在可将宇宙线加速到1PeV的‘拍电子伏特宇宙线加速器’(PeVatron)，它们都是超高能宇宙线源的候选者，这就向着解决宇宙线起源这一科学难题迈出了重要一步。”曹臻说。
据介绍，此次发现表明，年轻的大质量星团、超新星遗迹、脉冲星风云等，是银河系超高能宇宙线起源的最佳候选天体。同时，此次发现也要求科学家重新认识银河系高能粒子的产生、传播机制，探索极端天体现象及其相关的物理过程，并在极端条件下检验基本物理规律。
高海拔宇宙线观测站位于四川省稻城县海拔4410米的海子山，目前仍在建设中。这次报道的成果是基于已经建成的1/2规模探测装置，在2020年内11个月的观测数据。研究成果17日在国际知名学术期刊《自然》发表。
中国有望领跑全球宇宙线研究
中国的宇宙线实验研究经历了三个阶段，目前在建的拉索是第三代高山宇宙线实验室。
高海拔宇宙线观测站“拉索”
曹臻介绍说，高山实验能够充分利用大气作为探测介质，在地面进行观测，探测器规模可远大于大气层外的天基探测器。对于超高能量的宇宙线，这是唯一的观测手段。
拉索的主体工程于2017年开始建设，2019年4月完成1/4的规模建设并投入科学运行，边建设、边运行。2020年1月完成了1/2规模的建设并投入运行，同年12月完成3/4规模并投入运行。预计2021年底将全部建成。
研究员何会海认为，拉索项目最大的创新之处，就是把好几种探测技术结合在一起。“此前，在宇宙线研究领域里，一般一个实验就使用一种探测技术。这种单一探测技术的弊端是只能测一种东西。在拉索实验里，我们把4种探测器放在一起，共同来测量同一个事例，测完之后把所有的变量综合起来分析，就可以做出非常精细的测量。”
此外，拉索还开发了远距时钟同步技术，确保整个阵列的每个探测器同步精度可达亚纳秒水平。同时，拉索还首次大规模使用硅光电管、超大光敏面积微通道板光电倍增管等先进探测技术，大大提高了伽马射线测量的空间分辨率，使人类在探索更深的宇宙、更高能量的射线等方面，达到前所未有的水平。
“目前，项目已获得国际同行高度关注和认可，俄罗斯、瑞士、波兰等国科学家希望把设备搬到这里，一些国际上代表性实验组也表达了合作及联合观测的愿望。拉索建成后，中国有望在宇宙线研究领域实现全球领跑。”曹臻说。
来源：中国科普网 综合报道自新华社、人民日报、科技日报等
编辑：吴桐
审核：王飞
终审：陈磊
图片来源：中科院高能所
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