重磅！四川稻城县高海拔宇宙线观测站发现大量超高能宇宙加速器

          5月17日，一场高能物理学界备受关注的发布会在北京举行。中国科学院高能物理研究所、Springer Nature联合发布了国家重大科技基础设施“高海拔宇宙线观测站(LHAASO)”的重大发现。

发布会现场

          LHAASO在银河系内发现大量超高能宇宙加速器，并记录到最高1.4拍电子伏伽马光子(拍=千万亿)。这是人类观测到的最高能量光子，突破了人类对银河系粒子加速的传统认知，开启 “超高能伽马天文学”的时代。这些发现于2021年5月17日发表在《Nature》(自然)。该研究工作由中国科学院高能物理研究所牵头的LHAASO国际合作组完成。

          高海拔宇宙线观测站尚在建设中，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。科学家们发现了能量超过拍电子伏的光子，来自天鹅座内非常活跃的恒星形成区。

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          航拍LHAASO

          此外，科学家们还发现了12个稳定伽马射线源，能量一直延伸到1 拍电子伏附近。这是位于LHAASO视场内银河系内最明亮的一批伽马射线源，测到的伽马光子信号高于背景7倍标准偏差以上，源的位置测量精度优于0.3°。

LHAASO四分之三阵列(摄于2020.12.28)

          LHAASO项目首席科学家、中科院高能所研究员曹臻介绍，这次观测积累的数据还很有限，但所有能被LHAASO观测到的源，它们都具有0.1拍电子伏以上的伽马辐射，也叫“超高能伽马辐射”。

          “这表明银河系内遍布拍电子伏加速器。”而人类在地球上建造的最大加速器(欧洲核子研究中心的LHC)只能将粒子加速到0.01拍电子伏。

          银河系内的宇宙线加速器存在能量极限是个“常识”，过去预言的极限就在拍电子伏附近，从而预言的伽马射线能谱在0.1 拍电子伏附近有“截断”现象。

           LHAASO的发现完全突破了这个“极限”——大多数源没有截断。

LHAASO傍晚

          这些发现开启 “超高能伽马天文”观测时代，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加速超高能宇宙线的最佳候选天体。

广角切伦科夫望远镜阵列

           曹臻表示，这些发现有助于破解宇宙线起源这个“世纪之谜”，同时，科学家也需要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。

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          航拍LHAASO

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          宇宙线：宇宙高能“子弹”

           广袤宇宙中除了繁星，还隐藏一个秘密。无数粒子正以接近光的速度飞驰，它们就是宇宙线。

          1912年奥地利物理学家维克多·赫斯意外发现了宇宙线。这些产生于宇宙深处的高能“子弹”，把人类对物质世界的认识深入到粒子层面，并把无限小的微观世界与无限大的宇观世界联系起来。

          科学发现，在靠近地球的太空中，每分钟约有一个宇宙线粒子穿过一枚硬币大小的面积。宇宙线中90%是质子，其次是氦核，约占9%，剩下是其他各种元素的原子核、少量光子、电子、中微子以及反物质粒子等。

          宇宙线发现后的100多年来，与之相关的研究获得5次诺贝尔奖，但人类还不清楚高能宇宙线的主要来源。什么样的物理过程把这些粒子加速到如此高的能量?它们飞往地球的旅途中经历了什么?它们在宇宙演化各阶段起什么作用?

          世界各国纷纷投入资金与设备对其展开研究，中、美、俄、日、德等国家建有宇宙线观测站。

          高海拔宇宙线观测站(LHAASO)：捕捉”天外来客“

          以宇宙线观测研究为核心的国家重大科技基础设施，位于四川省稻城县海拔4410米的海子山，占地面积约1.36平方公里，是由5195个电磁粒子探测器和1188个缪子探测器组成的一平方公里地面簇射粒子阵列(简称KM2A)、78000平方米水切伦科夫探测器、18台广角切伦科夫望远镜交错排布组成的复合阵列。LHAASO采用这四种探测技术，可以全方位、多变量地测量宇宙线。

雪中观测基地(2020.4.27摄)

          高海拔宇宙线观测站的核心科学目标是：探索高能宇宙线起源以及相关的宇宙演化和高能天体活动，并寻找暗物质;广泛搜索宇宙中尤其是银河系内部的伽马射线源，精确测量它们从低于1TeV(1万亿电子伏，也叫“太电子伏”)到超过1 PeV(1000万亿电子伏，也叫“拍电子伏”)的宽广能量范围内的能谱;测量更高能量的弥散宇宙线的成分与能谱，揭示宇宙线加速和传播的规律，探索新物理前沿。