西藏羊八井ASgamma實(shí)驗(yàn)表面陣列。中科院高能物理研究所供圖

在追求“更高、更快、更強(qiáng)”上，高能物理學(xué)家跟運(yùn)動(dòng)員可能沒(méi)有什么區(qū)別。

在全球各地，一個(gè)個(gè)大型加速器日夜不停地運(yùn)轉(zhuǎn)著，試圖揭開(kāi)更多的科學(xué)秘密。 

不過(guò)，宇宙似乎總是能輕而易舉地將人類“秒殺”。

7月3日，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所在北京宣布，中日合作實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)利用我國(guó)西藏羊八井ASgamma實(shí)驗(yàn)陣列，于近日發(fā)現(xiàn)了迄今為止最高能量的宇宙伽馬射線，比此前國(guó)際上正式發(fā)表的最高能量高5倍。

相關(guān)論文已被《物理評(píng)論快報(bào)》推選為高亮點(diǎn)論文，并將于7月下旬在線發(fā)表。

1912年，奧地利物理學(xué)家維克托·赫斯帶著自己設(shè)計(jì)的儀器，坐著熱氣球，飛上了5300米的天空。

這次大膽而瘋狂的實(shí)驗(yàn)，讓宇宙線第一次被人類發(fā)現(xiàn)，赫斯也因此獲得了1936年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

人們驚訝地發(fā)現(xiàn)，這些來(lái)自外太空的高能粒子，每天都會(huì)像雨一樣落在地球上，密密麻麻，悄無(wú)聲息。

然而，100多年過(guò)去了，宇宙線的起源卻仍是未解之謎。

“非光子成分的帶電宇宙線在銀河系磁場(chǎng)中會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因此它們的抵達(dá)方向并不能代表其加速源頭的真實(shí)位置。”中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員黃晶說(shuō)。 

幸好還有一個(gè)例外。

伽馬射線光子是電中性的，不會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，能直指其產(chǎn)生的源頭，而超高能量的伽馬射線又是由高能帶電粒子產(chǎn)生的。

因此，超高能伽馬射線觀測(cè)是研究這些極端粒子加速過(guò)程及其發(fā)生的極端環(huán)境的獨(dú)特途徑，是探索極端宇宙的重要探針之一。 

但是，探測(cè)伽馬射線同樣困難。

黃晶解釋稱：“超高能伽馬射線的流強(qiáng)太低，不到宇宙線的1%，全都淹沒(méi)在宇宙線的背景中了，所以我們很難從中挑出伽馬射線?！?nbsp;

由中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所和日本東京大學(xué)宇宙線研究所共同主持的西藏羊八井ASgamma實(shí)驗(yàn)位于海拔4300米的西藏羊八井地區(qū)，1990年一期陣列建成并開(kāi)始運(yùn)行，后經(jīng)多次升級(jí)改造。

羊八井實(shí)驗(yàn)在銀河系宇宙線的探測(cè)研究方面做出了一系列重大發(fā)現(xiàn)。 

2014年，合作組成員在現(xiàn)有探測(cè)陣列下面新增加了地下繆子水切倫科夫探測(cè)器（有效面積4200平方米）。

利用這種地下繆子水切倫科夫探測(cè)器的數(shù)據(jù)，科學(xué)家能夠剔除99.92%的宇宙線背景噪聲。 

正是憑借這個(gè)埋在地下2.5米的新探測(cè)器，使得西藏羊八井實(shí)驗(yàn)成為了國(guó)際上100TeV以上能區(qū)最靈敏的伽馬射線天文臺(tái)，并取得了本次成果。

此次中日合作實(shí)驗(yàn)共發(fā)現(xiàn)了24個(gè)100 TeV以上的伽馬射線事例，超出宇宙線背景5.6倍標(biāo)準(zhǔn)偏差，其中能量最高的約為450TeV。

而此前國(guó)際上探測(cè)到的最高能量的伽馬射線為75TeV，由德國(guó)的切倫科夫望遠(yuǎn)鏡實(shí)驗(yàn)組觀測(cè)到。

這一發(fā)現(xiàn)，標(biāo)志著人類對(duì)超高能伽馬射線的天文觀測(cè)進(jìn)入到100TeV以上的觀測(cè)能段。

南京大學(xué)教授陳陽(yáng)評(píng)論稱，該成果是人類“揭開(kāi)宇宙線起源之謎途中的一個(gè)里程碑”。 

這些宇宙伽馬射線所指向的來(lái)源，是一個(gè)古老的宇宙“網(wǎng)紅”——蟹狀星云。

作為金牛座的著名超新星遺跡，早在1054年，我國(guó)宋朝天文學(xué)家就詳細(xì)記錄了該超新星的爆發(fā)現(xiàn)象。

蟹狀星云距離地球6500光年左右，其能量來(lái)源是位于其中的高速旋轉(zhuǎn)的脈沖星，即蟹狀星云脈沖星。 

蟹狀星云因其在全電磁波段均具有較高亮度而備受關(guān)注。

多年來(lái)，全球科學(xué)家在從射電、光學(xué)、X射線直至伽馬射線的整個(gè)電磁波段對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的觀測(cè)和研究。但是，隨著光子能量的增加，蟹狀星云的光子流強(qiáng)越來(lái)越低，觀測(cè)也越來(lái)越困難。 

這也讓新發(fā)現(xiàn)的超高能伽馬射線更加難能可貴。

科研人員認(rèn)為，這些100TeV以上的高能光子可能是更高能量的電子與周圍宇宙微波背景輻射光子發(fā)生“逆康普頓散射”的結(jié)果，而超高能電子、正電子則是在蟹狀星云的脈沖星風(fēng)云中產(chǎn)生。 

由此科學(xué)家推斷，蟹狀星云是銀河系內(nèi)天然的高能粒子加速器。

與目前世界上最大的人工電子加速器相比，蟹狀星云的電子加速能力至少要高上萬(wàn)倍。

當(dāng)然，人類的好奇心絕不會(huì)滿足于此。

作為西藏羊八井實(shí)驗(yàn)的后續(xù)項(xiàng)目，我國(guó)正在四川稻城建設(shè)大面積高海拔宇宙線觀測(cè)站（LHAASO），部分設(shè)備已經(jīng)建成并投入觀測(cè)運(yùn)行。 

“與羊八井實(shí)驗(yàn)相比，稻城實(shí)驗(yàn)的能量范圍和靈敏度還要高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上?！敝袊?guó)科學(xué)院高能物理研究所副所長(zhǎng)魏龍介紹，“它將把宇宙線物理和超高能伽馬射線天文研究推進(jìn)到一個(gè)新高度?！?nbsp;

《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 (2019-07-04 第1版 要聞)