【文汇报】30年坚守青藏高原，探寻超高能宇宙线“身世谜团”

　　

　　▲西藏羊八井中日合作实验装置地表探测器阵列

　　百年宇宙线起源研究，树起一座新的里程碑。昨天，中日科学家分别召开新闻发布会宣布，持续30年之久的西藏羊八井中日合作实验近期观测到迄今为止最高能量的弥散伽马射线辐射，其最高能量达957万亿电子伏特，接近1000万亿电子伏特（即1PeV，1拍电子伏特）。

　　这是人类首次发现PeV能量宇宙线源存在于银河系的证据，也借此叩响了“拍能量级”伽马天文学的窗口。相关论文将于4月5日在线发表于美国《物理评论快报》上。

　　巧设“机关”捕捉稀有射线

　　宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子流，主要由质子和其他原子核组成。它们来自哪里？从哪里获得能量？如何在银河系中传播？尤其是高能、超高能宇宙线的起源，作为一个世纪未解之谜，被美国国家研究委员会列为21世纪11个最前沿的天文和物理问题之一。

　　为何追寻这些宇宙粒子的源头如此困难？西藏羊八井实验负责人、中国科学院高能物理研究所研究员黄晶解释，因为这些高能宇宙粒子带电，一旦在飞行过程中遇到磁场，就会“被拐弯”，因此无法根据其入射到地球的行迹，直接搜寻其源头方向。不过，当超高能宇宙线与分子云等星际物质发生碰撞时，所产生的超高能伽马射线却是不带电的，可以在太空中保持“直线飞行”。这些伽马射线就像宇宙线源头在银河系内留下的一串串“足迹”，通过它们，人类就有了找到宇宙线源头的希望。然而，这种伽马射线太稀少了。

　　哪里接收到超高能伽马射线的可能性最大？西藏羊八井！当宇宙线粒子进入大气层，能量会产生不同程度的衰减，而羊八井对应的海拔高度恰巧处于“膝”区，这是宇宙线空气簇射发展到极大的位置，因此对于原初宇宙线的能量拟合涨落较小，且对不同宇宙线核种的依赖也小。自1989年起，中日科学家就联手在这里建设实验装置阵列，经过多次扩建、改造，如今已成为世界上“膝”区宇宙线成分能谱观测最灵敏的实验之一。

　　

　　▲建造于2.5米地下的缪子探测装置

　　2014年，根据中日科学家的巧妙设计，羊八井实验装置增添了缪子探测器：在2.5米的地下，增设了有效面积3400平方米的地下缪子水切伦科夫探测阵列。黄晶解释说，其他宇宙射线经过大气会产生较多缪子，而伽马射线产生的缪子较少。利用土层过滤掉低能宇宙射线后，只有高能缪子能到达位于地下的缪子探测器，再结合这些宇宙线到达地表时的“表现”，“只需找出缪子少的，就可以抓出对应能量的伽马射线事件了”。

　　过去数年里，科学家在一千万个宇宙线事件中，找到了38个超高能伽马射线，最高能量接近1拍电子伏特。

　　叩响“拍能量级”天文学研究窗口

　　这一发现使人类距离破解宇宙射线“身世之谜”又近了一步，美国物理学会称其为该领域的重要里程碑。

　　在地球上，人类造出的最强粒子加速器，也只能产生太（T）能量级的高能粒子，只相当于拍能量级的千分之几。因此，追寻拍能量级宇宙射线的“天然加速器”就成了物理学家的一个重大心愿。今年3月2日，《自然·天文》发表了西藏羊八井实验的另一个重要发现——找到“拍电子伏特宇宙线加速器”的候选天体SNR G106.3+2.7，一个距离地球2600光年的超新星遗迹。根据理论模型，超新星遗迹、恒星形成区和银河系中心的超大质量黑洞等是此类宇宙线加速器的候选者，但迄今为止科学家还没有得到任何观测实证。而拍能量级伽马射线的发现，使追溯这些“天然超级粒子加速器”显露出曙光。

　　

　　▲西藏ASγ实验团队观测到的超高能弥散伽马射线事例在银道坐标系下的分布

　　黄晶介绍，此次发现的拍能量级伽马射线弥散分布于在银盘上（即银河系的星系盘），“它们指向不一，没有指向任何低能量的宇宙线加速器，所以银河系内极有可能存在多个拍电子伏特宇宙线加速器”。

　　南京大学天文系教授王祥玉认为，这些银盘上的“足迹”，从实验上证明了“拍电子伏特宇宙线加速器”存在于银河系内。科学家设想，或许银河系中存在宇宙射线池，这些宇宙线粒子一直被困在银河系的某些强大磁场中，不断被回旋、加速，直到有机会逃逸……

　　代代坚守，将解更多宇宙之谜

　　“这是一个需要几代人接力的实验。”从上世纪90年代起，中科院高能所研究员谭有恒就坚守在羊八井，整个实验组由中科院高能所、国家天文台等国内12个单位，以及日本东京大学宇宙线研究所等16个日方合作单位组成。

　　

　　从理论想象到一步步寻找证据，谭有恒用亲身经历告诉团队中的每一位年轻人，“一定要长年累月坚持观测、积累数据，一定要一代一代坚持下去”。宇宙线也会受到环境因素的影响，“只有积累足够多的数据，才能看到变化，发现宇宙活动的真相”。

　　“目前，我们只发现了几十个伽马射线事件，样本还不够多。”中科院高能所研究员张双南透露，位于四川省稻城县海子山海拔4410米处的高海拔宇宙线观测站“拉索”（LHAASO），已建成首个探测器阵列并投入科学运行。“'拉索’所能观测到的宇宙射线能谱范围更宽、灵敏度更高，未来将能更完整地'描画’出弥散伽马射线的能谱。”

（源自文汇报客户端 2021年4月3日版 原地址：http://wenhui.whb.cn/zhuzhanapp/kjwz/20210403/398699.html?timestamp=1617671931908）