重大突破！我國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙最高能量光子，到底意味著什么？

2021年5月17日，國(guó)際著名期刊《自然》雜志發(fā)表了我國(guó)科學(xué)家的一項(xiàng)重要成果：在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)了能量達(dá)1.4拍電子伏特的伽馬光子，相當(dāng)于可見(jiàn)光能量的千萬(wàn)億倍！這是人類迄今為止探測(cè)到的最高能量的光子。

與此同時(shí)，科學(xué)家還觀測(cè)到銀河系內(nèi)存在大量天然的 “超高能宇宙加速器”。該發(fā)現(xiàn)改變了人類對(duì)銀河系的傳統(tǒng)認(rèn)知，開(kāi)啟了“超高能伽馬天文學(xué)”時(shí)代。

圖注：高能宇宙線轟擊地球大氣，產(chǎn)生的“空氣簇射”現(xiàn)象（示意圖）。

上面這段話，是否感覺(jué)每個(gè)字都認(rèn)識(shí)，但讀完之后還是覺(jué)得似懂非懂呢？不懂是正?，F(xiàn)象。因?yàn)楸緛?lái)高能物理就是物理學(xué)皇冠上的明珠，是非常高端的領(lǐng)域，再加上這又是一項(xiàng)最新的成果。我們?cè)谶@里把物理名詞一個(gè)個(gè)拆解一下，詳細(xì)解讀。

什么是1.4拍電子伏特伽馬光子？

拍（P）是一個(gè)單位，代表10^15次方，也就是1千萬(wàn)億。例如，目前硬盤(pán)的容量能夠達(dá)到1T，1P約等于1000T。

“電子伏特”是能量的單位，通常在微觀領(lǐng)域使用，表示一個(gè)電子通過(guò)1伏特的電壓所獲得的能量。例如，當(dāng)一個(gè)電子從一節(jié)1.5伏的干電池的負(fù)極運(yùn)動(dòng)到正極，就能獲得1.5電子伏特的能量。我們周?chē)梢?jiàn)光的能量大約就是幾個(gè)電子伏特。

能量的主單位是焦耳，1焦耳相當(dāng)于625億億電子伏特。而你的手掌，在1秒內(nèi)就能釋放大約1焦耳能量?？梢?jiàn)，在宏觀領(lǐng)域，電子伏特是非常小的單位。

圖注：電磁波譜。

大家可能都聽(tīng)說(shuō)過(guò)，光具有波粒二象性，在電磁波譜能量比較高的一端，光的粒子性比較顯著，當(dāng)光子的能量達(dá)到100千電子伏特以上時(shí)，人們就開(kāi)始稱其為伽馬光子。通常，某些原子核的衰變能夠產(chǎn)生伽馬光子，例如能夠治療腦腫瘤的“伽馬刀”，就是利用鈷60釋放的伽馬射線殺死腫瘤細(xì)胞。

我們每年的例行體檢中都會(huì)拍胸片，則是利用的比伽馬光子能量低一些的X光子。

綜上所述，也就是說(shuō)，這次我國(guó)科學(xué)家利用新建的高海拔宇宙線觀測(cè)站（LHAASO）觀測(cè)到了能量為1.4拍電子伏特的伽馬光子，能量比普通的伽馬光子要大幾十億倍。

發(fā)現(xiàn)這種拍電子伏特光子有什么意義嗎？

理論上，單個(gè)光子的能量似乎沒(méi)有上限，著名科幻小說(shuō)《三體》中描繪說(shuō)，宇宙中的超級(jí)文明通過(guò)釋放“光?！本湍艽輾б活w恒星。

但現(xiàn)實(shí)中，宇宙中到處充斥著宇宙微波背景輻射，這些輻射會(huì)阻擋銀河系外的超高能光子到達(dá)地球。微波背景輻射無(wú)處不在，古老電視屏幕跳動(dòng)的雪花中，大約有1%是由于微波背景輻射干擾的結(jié)果。

當(dāng)超高能光子遇到宇宙微波背景輻射中的這些低能光子時(shí)，就會(huì)發(fā)生碰撞而湮滅掉。理論上，當(dāng)光子的能量達(dá)到拍電子伏特時(shí)，其傳播距離就會(huì)被限制，銀河系外的超高能光子無(wú)法到達(dá)地球。這次我國(guó)科學(xué)家探測(cè)到的1.4拍電子伏的高能光子來(lái)自銀河系內(nèi)。

因此，該發(fā)現(xiàn)改變了人類對(duì)銀河系的傳統(tǒng)認(rèn)知，也開(kāi)啟了“超高能伽馬天文學(xué)”時(shí)代。

此外，超高能宇宙線的來(lái)源和產(chǎn)生機(jī)制一直困擾著高能天體物理學(xué)家。其實(shí)，宇宙中能量更高的射線是高能質(zhì)子，人類早已探測(cè)到能量比這次“拍電子伏特光子”能量還高數(shù)萬(wàn)倍的高能質(zhì)子，這種微觀粒子的能量可相當(dāng)于一枚飛行的棒球。

但質(zhì)子是帶電荷的，它們?cè)谟钪嬷写┬械倪^(guò)程中會(huì)受到星際磁場(chǎng)的偏轉(zhuǎn)，因此無(wú)法追溯其來(lái)源，也就無(wú)法研究其產(chǎn)生機(jī)制。高能光子則不一樣，它們是不帶電的，能夠追溯其起源的地方，也就為研究超高能宇宙線的加速機(jī)制鎖定了研究對(duì)象。

什么是“超高能宇宙加速器”？

加速器就是提升帶電粒子能量的裝置，老式電視機(jī)顯像管其實(shí)就是一種加速器，能夠加速電子轟擊屏幕發(fā)光。目前，世界上最大的歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）也是一種類型的加速器，能夠把質(zhì)子加速到99.999999%的光速，然后讓兩束這樣的近光速粒子流發(fā)生迎頭碰撞，產(chǎn)生大量次級(jí)粒子，觀察其中發(fā)生的物理現(xiàn)象。

圖注：大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的加速管道。

我們知道，宇宙中到處都有高能粒子，這些粒子的能量同樣是靠某種天然的加速機(jī)產(chǎn)生，能夠產(chǎn)生高能粒子的地方，就可看作宇宙天然加速器了。這些天然加速器的加速能力可了不得，這次發(fā)現(xiàn)的1.4拍電子伏特光子的能量相當(dāng)于LHC中質(zhì)子能量的幾百倍。

這次，我國(guó)新建的高海拔宇宙線觀測(cè)站（LHAASO）除發(fā)現(xiàn)了這顆能量達(dá)1.4拍電子伏特的光子之外，還發(fā)現(xiàn)了12個(gè)“拍電子伏特超高能宇宙線加速器”，這表明銀河系內(nèi)普遍存在此種類型的天然加速器。

這些高能粒子的加速機(jī)制是什么呢？現(xiàn)有的高能粒子加速機(jī)制，已無(wú)法完美解釋本次的新發(fā)現(xiàn)，亟需構(gòu)建新的理論模型。

什么是高海拔宇宙線觀測(cè)站？

高海拔宇宙線觀測(cè)站（LHAASO，Large High Altitude Air Shower Observatory）是世界上海拔最高（4410米）、規(guī)模最大、靈敏度最強(qiáng)的宇宙線探測(cè)裝置。

圖注：LHAASO遠(yuǎn)景圖。（來(lái)源：高能物理所）。

高海拔宇宙線觀測(cè)站位于中國(guó)四川省稻城縣海子山，占地面積約1.36平方公里。其核心科學(xué)目標(biāo)是：探索高能宇宙線起源以及相關(guān)的宇宙演化和高能天體活動(dòng)，并尋找暗物質(zhì)；廣泛搜索宇宙中尤其是銀河系內(nèi)部的伽馬射線源，并精確測(cè)量它們的能譜；揭示宇宙線加速和傳播的規(guī)律，探索新物理前沿。

LHAASO采用什么原理探測(cè)宇宙線的？

我們知道，LHAASO雖然位于高海拔，但仍然處于大氣中，當(dāng)高能宇宙線來(lái)到地球后，首先要與大氣層中的原子核發(fā)生碰撞，根據(jù)愛(ài)因斯坦的質(zhì)能公式，能夠產(chǎn)生次級(jí)粒子，次級(jí)粒子還會(huì)產(chǎn)生次級(jí)粒子，直到能量低于某個(gè)臨界值時(shí)，次級(jí)粒子才停止產(chǎn)生。

這樣，一顆高能粒子，就能產(chǎn)生N多次級(jí)粒子，這些次級(jí)粒子像陣雨一樣灑向地面，灑向探測(cè)器，專業(yè)上稱為“空氣簇射”。

因此，探測(cè)器直接探測(cè)到的，實(shí)際上是這些次級(jí)粒子。通過(guò)測(cè)量這些次級(jí)粒子的性質(zhì)，反推第一個(gè)高能粒子的性質(zhì)。

圖注：高能粒子產(chǎn)生大氣簇射，LHAASO各探測(cè)器對(duì)簇射的觀測(cè)（示意圖）來(lái)源：《自然》雜志。

那么，LHAASO采用什么方式探測(cè)的呢？LHAASO采用了四種探測(cè)器符合測(cè)量這些次級(jí)粒子。

1、電磁粒子探測(cè)器陣列：用于測(cè)量宇宙線空氣簇射中的次級(jí)電磁粒子，對(duì)原初宇宙線的方向，芯位和能量進(jìn)行重建。探測(cè)介質(zhì)為塑料閃爍體，通過(guò)波長(zhǎng)位移光纖收集帶電粒子在閃爍體內(nèi)產(chǎn)生的閃爍光,并傳導(dǎo)到光電倍增管，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。

2、繆子探測(cè)器(MD)陣列：用于測(cè)量宇宙線空氣簇射中的繆子含量?；緲?gòu)造是在結(jié)構(gòu)體體內(nèi)放置高反射率水袋，水袋內(nèi)裝超純水，水袋頂部中心安裝光電倍增管，收集進(jìn)入水體的繆子在水中產(chǎn)生的切倫科夫光，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。

3、水切倫科夫探測(cè)器陣列：通過(guò)觀測(cè)廣延空氣簇射中的次級(jí)粒子在水中產(chǎn)生的切倫科夫光，達(dá)到在甚高能中低能段對(duì)整個(gè)北天區(qū)伽馬源巡天觀測(cè)的目的，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析，可以重建出原初伽馬射線或宇宙線的到達(dá)方向、能量等參數(shù)等。

4、廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列：測(cè)量高能宇宙線或高能伽馬射線通過(guò)簇射在大氣中產(chǎn)生的切倫科夫光或熒光。借助望遠(yuǎn)鏡獨(dú)有的可移動(dòng)特性，通過(guò)階段性陣列布局調(diào)整，聯(lián)合其他探測(cè)器，精確測(cè)量宇宙線成份能譜。

我國(guó)的宇宙線研究發(fā)展簡(jiǎn)史

我國(guó)的宇宙線實(shí)驗(yàn)研究經(jīng)歷了三個(gè)階段，目前在建的LHAASO是第三代高山宇宙線實(shí)驗(yàn)室。

高山實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虺浞掷么髿庾鳛樘綔y(cè)介質(zhì)，在地面進(jìn)行觀測(cè)，探測(cè)器規(guī)?？蛇h(yuǎn)大于大氣層外的天基探測(cè)器。由于超高能量宇宙線數(shù)量稀少，這是唯一的觀測(cè)手段。

1954年，中國(guó)第一個(gè)高山宇宙線實(shí)驗(yàn)室在海拔3180米的云南東川落雪山建成。

1989年，在海拔4300米的西藏羊八井啟動(dòng)了中日合作的宇宙線實(shí)驗(yàn)；

2000年，啟動(dòng)中意ARGO實(shí)驗(yàn)。

2009年，在北京香山科學(xué)會(huì)議上，曹臻研究員提出在高海拔地區(qū)建設(shè)大型復(fù)合探測(cè)陣列“高海拔宇宙線觀測(cè)站”的完整構(gòu)想。

LHAASO的主體工程于2017年開(kāi)始建設(shè)，2019年4月完成1/4的規(guī)模建設(shè)并投入科學(xué)運(yùn)行。

2020年1月，LHAASO完成了1/2規(guī)模的建設(shè)并投入運(yùn)行，同年12月完成3/4規(guī)模并投入運(yùn)行。

2021年，LHAASO陣列將全部建成，成為國(guó)際領(lǐng)先的超高能伽馬探測(cè)裝置，投入長(zhǎng)期運(yùn)行，從多個(gè)方面展開(kāi)宇宙線起源的探索性研究。