▲西藏羊八井中日合作實(shí)驗(yàn)裝置地表探測器陣列

　　百年宇宙線起源研究，樹起一座新的里程碑。昨天，中日科學(xué)家分別召開新聞發(fā)布會(huì)宣布，持續(xù)30年之久的西藏羊八井中日合作實(shí)驗(yàn)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(dá)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(fā)現(xiàn)PeV能量宇宙線源存在于銀河系的證據(jù)，也借此叩響了“拍能量級(jí)”伽馬天文學(xué)的窗口。相關(guān)論文將于4月5日在線發(fā)表于美國《物理評(píng)論快報(bào)》上。

　　巧設(shè)“機(jī)關(guān)”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(zhì)子和其他原子核組成。它們來自哪里？從哪里獲得能量？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(gè)世紀(jì)未解之謎，被美國國家研究委員會(huì)列為21世紀(jì)11個(gè)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(shí)驗(yàn)負(fù)責(zé)人、中國科學(xué)院高能物理研究所研究員黃晶解釋，因?yàn)檫@些高能宇宙粒子帶電，一旦在飛行過程中遇到磁場，就會(huì)“被拐彎”，因此無法根據(jù)其入射到地球的行跡，直接搜尋其源頭方向。不過，當(dāng)超高能宇宙線與分子云等星際物質(zhì)發(fā)生碰撞時(shí)，所產(chǎn)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內(nèi)留下的一串串“足跡”，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。

　　哪里接收到超高能伽馬射線的可能性最大？西藏羊八井！當(dāng)宇宙線粒子進(jìn)入大氣層，能量會(huì)產(chǎn)生不同程度的衰減，而羊八井對(duì)應(yīng)的海拔高度恰巧處于“膝”區(qū)，這是宇宙線空氣簇射發(fā)展到極大的位置，因此對(duì)于原初宇宙線的能量擬合漲落較小，且對(duì)不同宇宙線核種的依賴也小。自1989年起，中日科學(xué)家就聯(lián)手在這里建設(shè)實(shí)驗(yàn)裝置陣列，經(jīng)過多次擴(kuò)建、改造，如今已成為世界上“膝”區(qū)宇宙線成分能譜觀測最靈敏的實(shí)驗(yàn)之一。

　　▲建造于2.5米地下的繆子探測裝置

　　2014年，根據(jù)中日科學(xué)家的巧妙設(shè)計(jì)，羊八井實(shí)驗(yàn)裝置增添了繆子探測器：在2.5米的地下，增設(shè)了有效面積3400平方米的地下繆子水切倫科夫探測陣列。黃晶解釋說，其他宇宙射線經(jīng)過大氣會(huì)產(chǎn)生較多繆子，而伽馬射線產(chǎn)生的繆子較少。利用土層過濾掉低能宇宙射線后，只有高能繆子能到達(dá)位于地下的繆子探測器，再結(jié)合這些宇宙線到達(dá)地表時(shí)的“表現(xiàn)”，“只需找出繆子少的，就可以抓出對(duì)應(yīng)能量的伽馬射線事件了”。

　　過去數(shù)年里，科學(xué)家在一千萬個(gè)宇宙線事件中，找到了38個(gè)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(jí)”天文學(xué)研究窗口

　　這一發(fā)現(xiàn)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(xué)會(huì)稱其為該領(lǐng)域的重要里程碑。

　　在地球上，人類造出的最強(qiáng)粒子加速器，也只能產(chǎn)生太（T）能量級(jí)的高能粒子，只相當(dāng)于拍能量級(jí)的千分之幾。因此，追尋拍能量級(jí)宇宙射線的“天然加速器”就成了物理學(xué)家的一個(gè)重大心愿。今年3月2日，《自然·天文》發(fā)表了西藏羊八井實(shí)驗(yàn)的另一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)——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(gè)距離地球2600光年的超新星遺跡。根據(jù)理論模型，超新星遺跡、恒星形成區(qū)和銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞等是此類宇宙線加速器的候選者，但迄今為止科學(xué)家還沒有得到任何觀測實(shí)證。而拍能量級(jí)伽馬射線的發(fā)現(xiàn)，使追溯這些“天然超級(jí)粒子加速器”顯露出曙光。

　　▲西藏ASγ實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)觀測到的超高能彌散伽馬射線事例在銀道坐標(biāo)系下的分布

　　黃晶介紹，此次發(fā)現(xiàn)的拍能量級(jí)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，所以銀河系內(nèi)極有可能存在多個(gè)拍電子伏特宇宙線加速器”。

　　南京大學(xué)天文系教授王祥玉認(rèn)為，這些銀盤上的“足跡”，從實(shí)驗(yàn)上證明了“拍電子伏特宇宙線加速器”存在于銀河系內(nèi)?？茖W(xué)家設(shè)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(qiáng)大磁場中，不斷被回旋、加速，直到有機(jī)會(huì)逃逸……

　　代代堅(jiān)守，將解更多宇宙之謎

　　“這是一個(gè)需要幾代人接力的實(shí)驗(yàn)?！睆纳鲜兰o(jì)90年代起，中科院高能所研究員譚有恒就堅(jiān)守在羊八井，整個(gè)實(shí)驗(yàn)組由中科院高能所、國家天文臺(tái)等國內(nèi)12個(gè)單位，以及日本東京大學(xué)宇宙線研究所等16個(gè)日方合作單位組成。

　　從理論想象到一步步尋找證據(jù)，譚有恒用親身經(jīng)歷告訴團(tuán)隊(duì)中的每一位年輕人，“一定要長年累月堅(jiān)持觀測、積累數(shù)據(jù)，一定要一代一代堅(jiān)持下去”。宇宙線也會(huì)受到環(huán)境因素的影響，“只有積累足夠多的數(shù)據(jù)，才能看到變化，發(fā)現(xiàn)宇宙活動(dòng)的真相”。

　　“目前，我們只發(fā)現(xiàn)了幾十個(gè)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(gè)探測器陣列并投入科學(xué)運(yùn)行。“'拉索’所能觀測到的宇宙射線能譜范圍更寬、靈敏度更高，未來將能更完整地'描畫’出彌散伽馬射線的能譜?！?/p>

（源自文匯報(bào)客戶端 2021年4月3日版 原地址：http://wenhui./zhuzhanapp/kjwz/20210403/398699.html?timestamp=1617671931908）