來自外太空的高能粒子,如何揭秘宇宙起源?

2020-11-23 澎湃新聞

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1912年美國物理學家維克多·赫斯利發現，地球大氣中存在的帶電高能粒子，其實來自遙遠的宇宙，而這些粒子也因此被命名為「宇宙射線」。那麼，宇宙射線中到底都有哪些粒子，人類又如何探測宇宙射線呢？我國在探測宇宙射線的道路上，又做出了哪些努力，克服了哪些困難呢？

9月21日，「走近科研團隊，感受科技魅力」線上直播活動由中國科協科普部主辦，果殼、「書香中國•北京閱讀季」協辦，並得到北京廣播電視臺及中國科學院大氣物理研究所的共同支持。活動邀請了中國科學院高能物理研究所研究員，高海拔宇宙線觀測站水切倫科夫探測器列陣負責人陳明君，中國科學院高能物理研究所副研究員，高海拔宇宙線觀測站(LHAASO)廣角切倫科夫望遠鏡陣列負責人張壽山，清華大學副研究員，研究領域主要為核電子學、自動控制、嵌入式系統和數據採集，高海拔宇宙線觀測站時鐘系統負責人龔光華。他們分別從自己的工作領域，為觀眾分享了高能粒子方面的知識。

什麼是宇宙射線？

宇宙射線是來自宇宙空間的高能粒子，它的主要成分是帶電粒子，例如質子、氦核、碳氮氧、鎂鋁矽、鐵核等元素和少量的電子，還包含少量中性粒子例如光子和中微子。

宇宙射線至今已經被發現有100多年了，最高能量高達1021（十萬億億）電子伏特。現在歐洲核子中心大型強子對撞機（LHC）能把粒子加速到的最高能量為1013（十萬億）電子伏特。宇宙線射線的最高能量比人工加速器的最高能量高達一億倍。

對宇宙線的測量分空間直接測量和地面間接測量。直接測量實驗需要人造衛星或高空氣球來運載探測器，把探測器運載到大氣層之上，避免宇宙射線和大氣層之間發生反應。我國的悟空暗物質粒子探測衛星就屬於直接測量實驗。

科學家們在地面上擺放幾百平方米，甚至到幾千平方公裡的探測器陣列，來測量能量在百萬億電子伏特以上的宇宙射線。在地面上擺放探測器陣列來測量宇宙射線的方法被稱作地面間接測量方法。例如我國正在建設的，位於四川甘孜州稻城海子山的高海拔宇宙射線觀測站（LHAASO）實驗，就屬於地面間接測量。

LHAASO拉索，高海拔宇宙射線觀測站

簡單來說，高能宇宙線的起源問題，從1912年我們發現它的存在，就一直未獲解決的世紀難題，比如說典型的宇宙線，可以有1013電子伏能量，遠高於我們人類加速器可以產生的能量，那麼，如此之高的能量又是從哪裡的來的？是怎麼得到的呢？我們的「LHAASO」的科學目標就瞄準了這裡。

我們所知道得宇宙線主要是高能光子（也稱之為γ）、質子和其它各種穩定的原子核，這些進入地球大氣層的高能宇宙線原初粒子，會與空氣中的原子核相碰撞，連續發生強相互作用和電磁相互作用，產生大量次級粒子。這個從一個高能宇宙線原初粒子，在大氣中級聯產生出大量次級粒子的過程，我們稱之為—廣延大氣簇射（EAS），也是我們LHAASO探測的主要物理過程。

原初宇宙線到達地球的大氣層中，產生大量次級粒子 | 中國科學院高能物理所

在LHAASO的近方圓1.3平方公裡、布下近萬通道的探測器，將探測到這些次級粒子，我們將通過詳細測量廣延大氣簇射中的次級粒子數據信息，追溯出高能宇宙線粒子的特徵，再追溯到高能宇宙線粒子的「源」，從而研究高能宇宙線的產生機制。

最近的LHAASO觀測站航拍圖 | 中國科學院高能物理所

LHAASO由於需要測量高能宇宙線的探測需求，對站址有很多的特殊要求。團隊反反覆覆，曲曲折折，歷時五年跑遍了西藏、青海、雲南、四川等地選址。最終，美麗的四川稻城海子山以高海拔、交通便利、電力穩定、水資源充足和地方政府強有力支持等優勢勝出。

LHAASO項目選址的曲折歷史 | 中國科學院高能物理所

從宇宙射線中如何理解宇宙、人類？

從古代人抬頭遐想，並陸續提出天圓觀、渾天說和地有四遊，到伽利略發明第一臺天文望遠鏡初識月球表面，再到實現登月的「一小步」以及各種飛船上天入地，人類對宇宙永遠帶著敬畏和獵奇未知。而對未知的好奇，是人類科學發展，一個樸素的、永恆的驅動力。

預期在2021年底，完成LHAASO建設安裝任務並投入全陣列運行。從投入規模上講，其可以在宇宙線研究百年歷史上排第二，僅次於美國在南極建起的「冰立方」中微子探測器。

宇宙線發現後的100多年來，與之相關的研究獲得5次諾貝爾獎，但是人類還不清楚高能宇宙線的主要來源在什麼地方。什麼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歷了什麼？它們在宇宙演化各階段起什麼作用？LHAASO的建成和科學運行，有望回答此類最基本的問題。

LHAASO在稻城海子山的建成，具體位置在稻城亞丁機場附近，也對當地的科技、文化教育、旅遊以及地方經濟發展產生積極的影響。

作者：陳明君、張壽山、龔光華

編輯：範可鑫、劉天昊、小米、皓銘

排版：凝音

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原標題：《來自外太空的高能粒子，如何揭秘宇宙起源？ | 科研團隊聯合行動》

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