西藏羊八井中日合作實驗裝置地表探測器陣列

百年宇宙線起源研究，樹起一座新的裡程碑。昨天，中日科學家分别召開新聞發布會宣布，持續30年之久的西藏羊八井中日合作實驗近期觀測到迄今為止最高能量的彌散伽馬射線輻射，其最高能量達957萬億電子伏特，接近1000萬億電子伏特（即1PeV，1拍電子伏特）。

這是人類首次發現PeV能量宇宙線源存在于銀河系的證據，也借此叩響了“拍能量級”伽馬天文學的窗口。相關論文将于4月5日在線發表于美國《物理評論快報》上。

巧設“機關”捕捉稀有射線

宇宙線是來自宇宙空間的高能粒子流，主要由質子和其他原子核組成。它們來自哪裡？從哪裡獲得能量？如何在銀河系中傳播？尤其是高能、超高能宇宙線的起源，作為一個世紀未解之謎，被美國國家研究委員會列為21世紀11個最前沿的天文和物理問題之一。

為何追尋這些宇宙粒子的源頭如此困難？西藏羊八井實驗負責人、中國科學院高能物理研究所研究員黃晶解釋，因為這些高能宇宙粒子帶電，一旦在飛行過程中遇到磁場，就會“被拐彎”，因此無法根據其入射到地球的行迹，直接搜尋其源頭方向。不過，當超高能宇宙線與分子雲等星際物質發生碰撞時，所産生的超高能伽馬射線卻是不帶電的，可以在太空中保持“直線飛行”。這些伽馬射線就像宇宙線源頭在銀河系内留下的一串串“足迹”，通過它們，人類就有了找到宇宙線源頭的希望。然而，這種伽馬射線太稀少了。

哪裡接收到超高能伽馬射線的可能性最大？西藏羊八井！當宇宙線粒子進入大氣層，能量會産生不同程度的衰減，而羊八井對應的海拔高度恰巧處于“膝”區，這是宇宙線空氣簇射發展到極大的位置，因此對于原初宇宙線的能量拟合漲落較小，且對不同宇宙線核種的依賴也小。自1989年起，中日科學家就聯手在這裡建設實驗裝置陣列，經過多次擴建、改造，如今已成為世界上“膝”區宇宙線成分能譜觀測最靈敏的實驗之一。

建造于2.5米地下的缪子探測裝置

2014年，根據中日科學家的巧妙設計，羊八井實驗裝置增添了缪子探測器：在2.5米的地下，增設了有效面積3400平方米的地下缪子水切倫科夫探測陣列。黃晶解釋說，其他宇宙射線經過大氣會産生較多缪子，而伽馬射線産生的缪子較少。利用土層過濾掉低能宇宙射線後，隻有高能缪子能到達位于地下的缪子探測器，再結合這些宇宙線到達地表時的“表現”，“隻需找出缪子少的，就可以抓出對應能量的伽馬射線事件了”。

過去數年裡，科學家在一千萬個宇宙線事件中，找到了38個超高能伽馬射線，最高能量接近1拍電子伏特。

叩響“拍能量級”天文學研究窗口

這一發現使人類距離破解宇宙射線“身世之謎”又近了一步，美國物理學會稱其為該領域的重要裡程碑。

在地球上，人類造出的最強粒子加速器，也隻能産生太（T）能量級的高能粒子，隻相當于拍能量級的千分之幾。因此，追尋拍能量級宇宙射線的“天然加速器”就成了物理學家的一個重大心願。今年3月2日，《自然·天文》發表了西藏羊八井實驗的另一個重要發現——找到“拍電子伏特宇宙線加速器”的候選天體SNR G106.3 2.7，一個距離地球2600光年的超新星遺迹。根據理論模型，超新星遺迹、恒星形成區和銀河系中心的超大質量黑洞等是此類宇宙線加速器的候選者，但迄今為止科學家還沒有得到任何觀測實證。而拍能量級伽馬射線的發現，使追溯這些“天然超級粒子加速器”顯露出曙光。

西藏ASγ實驗團隊觀測到的超高能彌散伽馬射線事例在銀道坐标系下的分布

黃晶介紹，此次發現的拍能量級伽馬射線彌散分布于在銀盤上（即銀河系的星系盤），“它們指向不一，沒有指向任何低能量的宇宙線加速器，所以銀河系内極有可能存在多個拍電子伏特宇宙線加速器”。

南京大學天文系教授王祥玉認為，這些銀盤上的“足迹”，從實驗上證明了“拍電子伏特宇宙線加速器”存在于銀河系内。科學家設想，或許銀河系中存在宇宙射線池，這些宇宙線粒子一直被困在銀河系的某些強大磁場中，不斷被回旋、加速，直到有機會逃逸……

代代堅守，将解更多宇宙之謎

“這是一個需要幾代人接力的實驗。”從上世紀90年代起，中科院高能所研究員譚有恒就堅守在羊八井，整個實驗組由中科院高能所、國家天文台等國内12個單位，以及日本東京大學宇宙線研究所等16個日方合作單位組成。

從理論想象到一步步尋找證據，譚有恒用親身經曆告訴團隊中的每一位年輕人，“一定要長年累月堅持觀測、積累數據，一定要一代一代堅持下去”。宇宙線也會受到環境因素的影響，“隻有積累足夠多的數據，才能看到變化，發現宇宙活動的真相”。

“目前，我們隻發現了幾十個伽馬射線事件，樣本還不夠多。”中科院高能所研究員張雙南透露，位于四川省稻城縣海子山海拔4410米處的高海拔宇宙線觀測站“拉索”（LHAASO），已建成首個探測器陣列并投入科學運行。“‘拉索’所能觀測到的宇宙射線能譜範圍更寬、靈敏度更高，未來将能更完整地‘描畫’出彌散伽馬射線的能譜。”

作者：許琦敏

圖片來源：中科院高能所提供

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