重磅！四川稻城縣高海拔宇宙線觀測站發(fā)現(xiàn)大量超高能宇宙加速器

          5月17日，一場高能物理學(xué)界備受關(guān)注的發(fā)布會在北京舉行。中國科學(xué)院高能物理研究所、Springer Nature聯(lián)合發(fā)布了國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“高海拔宇宙線觀測站(LHAASO)”的重大發(fā)現(xiàn)。

發(fā)布會現(xiàn)場

          LHAASO在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)大量超高能宇宙加速器，并記錄到最高1.4拍電子伏伽馬光子(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 “超高能伽馬天文學(xué)”的時代。這些發(fā)現(xiàn)于2021年5月17日發(fā)表在《Nature》(自然)。該研究工作由中國科學(xué)院高能物理研究所牽頭的LHAASO國際合作組完成。

          高海拔宇宙線觀測站尚在建設(shè)中，這次報道的成果是基于已經(jīng)建成的1/2規(guī)模探測裝置，在2020年內(nèi) 11個月的觀測數(shù)據(jù)?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)了能量超過拍電子伏的光子，來自天鵝座內(nèi)非常活躍的恒星形成區(qū)。

          百度云

          航拍LHAASO

          此外，科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)了12個穩(wěn)定伽馬射線源，能量一直延伸到1 拍電子伏附近。這是位于LHAASO視場內(nèi)銀河系內(nèi)最明亮的一批伽馬射線源，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°。

LHAASO四分之三陣列(攝于2020.12.28)

          LHAASO項目首席科學(xué)家、中科院高能所研究員曹臻介紹，這次觀測積累的數(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(nèi)遍布拍電子伏加速器?！倍祟愒诘厍蛏辖ㄔ斓淖畲蠹铀倨?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(nèi)的宇宙線加速器存在能量極限是個“常識”，過去預(yù)言的極限就在拍電子伏附近，從而預(yù)言的伽馬射線能譜在0.1 拍電子伏附近有“截斷”現(xiàn)象。

           LHAASO的發(fā)現(xiàn)完全突破了這個“極限”——大多數(shù)源沒有截斷。

LHAASO傍晚

          這些發(fā)現(xiàn)開啟 “超高能伽馬天文”觀測時代，表明年輕的大質(zhì)量星團、超新星遺跡、脈沖星風(fēng)云等是銀河系加速超高能宇宙線的最佳候選天體。

廣角切倫科夫望遠鏡陣列

           曹臻表示，這些發(fā)現(xiàn)有助于破解宇宙線起源這個“世紀之謎”，同時，科學(xué)家也需要重新認識銀河系高能粒子的產(chǎn)生、傳播機制，探索極端天體現(xiàn)象及其相關(guān)的物理過程，并在極端條件下檢驗基本物理規(guī)律。

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          航拍LHAASO

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          宇宙線：宇宙高能“子彈”

           廣袤宇宙中除了繁星，還隱藏一個秘密。無數(shù)粒子正以接近光的速度飛馳，它們就是宇宙線。

          1912年奧地利物理學(xué)家維克多·赫斯意外發(fā)現(xiàn)了宇宙線。這些產(chǎn)生于宇宙深處的高能“子彈”，把人類對物質(zhì)世界的認識深入到粒子層面，并把無限小的微觀世界與無限大的宇觀世界聯(lián)系起來。

          科學(xué)發(fā)現(xiàn)，在靠近地球的太空中，每分鐘約有一個宇宙線粒子穿過一枚硬幣大小的面積。宇宙線中90%是質(zhì)子，其次是氦核，約占9%，剩下是其他各種元素的原子核、少量光子、電子、中微子以及反物質(zhì)粒子等。

          宇宙線發(fā)現(xiàn)后的100多年來，與之相關(guān)的研究獲得5次諾貝爾獎，但人類還不清楚高能宇宙線的主要來源。什么樣的物理過程把這些粒子加速到如此高的能量?它們飛往地球的旅途中經(jīng)歷了什么?它們在宇宙演化各階段起什么作用?

          世界各國紛紛投入資金與設(shè)備對其展開研究，中、美、俄、日、德等國家建有宇宙線觀測站。

          高海拔宇宙線觀測站(LHAASO)：捕捉”天外來客“

          以宇宙線觀測研究為核心的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，位于四川省稻城縣海拔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一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(fù)合陣列。LHAASO采用這四種探測技術(shù)，可以全方位、多變量地測量宇宙線。

雪中觀測基地(2020.4.27攝)

          高海拔宇宙線觀測站的核心科學(xué)目標是：探索高能宇宙線起源以及相關(guān)的宇宙演化和高能天體活動，并尋找暗物質(zhì);廣泛搜索宇宙中尤其是銀河系內(nèi)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(nèi)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。