高能宇宙線來自哪里？這是自宇宙線發(fā)現(xiàn)以來，跨越了整整一個世紀(jì)的未解之謎。最近，西藏羊八井中日合作實驗（ASγ實驗）的最新成果，讓人們離解開這個世紀(jì)之謎又近了一步。

撰文/記者 李鵬 編輯/陳永杰

新媒體編輯/房永珍

采訪專家

黃晶（中國科學(xué)院高能物理研究所粒子天體中心研究員、西藏 ASγ實驗負(fù)責(zé)人）

廣袤宇宙中除了繁星，還隱藏一個秘密。無數(shù)粒子正以接近光的速度飛馳，它們就是宇宙線。1912年奧地利物理學(xué)家維克多·赫斯意外發(fā)現(xiàn)了宇宙線。這些產(chǎn)生于宇宙深處的高能“子彈”，把人類對物質(zhì)世界的認(rèn)識深入到粒子層面，并把無限小的微觀世界與無限大的宇觀世界聯(lián)系起來。

▲西藏asγ實驗隊在銀河系坐標(biāo)系中觀測到的uhe漫射γ射線事件的分布。（中科院高能物理研究所供圖）

宇宙線發(fā)現(xiàn)后的100多年來，與之相關(guān)的研究獲得5次諾貝爾獎，但人類還不清楚高能宇宙線的主要來源。什么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(jīng)歷了什么？它們在宇宙演化各階段起什么作用？世界各國紛紛投入資金與設(shè)備對其展開研究，中、美、俄、日、德等國家建有宇宙線觀測站。其中，中日合作的西藏羊八井ASγ實驗就是其中之一。

日前，中國科學(xué)院高能物理研究所宣布：西藏 ASγ實驗觀測到迄今為止最高能量的呈彌散狀態(tài)，也就是向四周擴(kuò)散開的伽馬射線輻射，最高能量達(dá)957 TeV(TeV能量單位，1TeV=1萬億電子伏特)，接近1PeV（1000萬億電子伏特）。

這是國際上首次發(fā)現(xiàn)“拍電子伏特宇宙線加速器”(PeVatron——被認(rèn)為能把宇宙線加速到 PeV 能量的天體源) 在銀河系中確切存在的證據(jù)。因此本次發(fā)現(xiàn)在國際物理學(xué)界備受關(guān)注，該結(jié)果也被美國物理學(xué)會評論為研究高能宇宙線起源“世紀(jì)之謎”的里程碑，并在美國《物理評論快報》上正式發(fā)表。

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項目開始時只有三間空蕩蕩的屋子

西藏羊八井是一個由造山運動形成的山間斷陷小盆地，西北的大山擋住了北來的寒流，只東南方開一豁口，一條叫堆龍曲的小河由此流向拉薩，接通了印度洋暖濕氣流入藏的雅魯藏布江—拉薩河通道，從而造成這個海拔4300米 的盆地內(nèi)氣候溫和、冬少積雪，有常年通暢的交通，地?zé)豳Y源豐富，簡直就是個上天恩賜的宇宙線觀測福地，因此被建成了我國宇宙線觀測的重要基地。

在宇宙線研究的摸索中，中日科學(xué)家團(tuán)隊走到了一起，這就是中日合作的西藏羊八井ASγ實驗，其始建于1989年，由中科院高能物理研究所、中科院國家天文臺等國內(nèi)12個合作單位，以及日本東京大學(xué)宇宙線研究所等16個日方合作單位組成。

2002年在日本宇都宮大學(xué)獲得博士學(xué)位的黃晶在推動該項目的合作研究中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，她2005年7月至2008年5月就曾經(jīng)擔(dān)任東京大學(xué)宇宙線所中日合作西藏羊八井ASγ實驗的物理負(fù)責(zé)人。2008年回國到中國科學(xué)院高能物理研究所工作以后，推動這個項目的研究走向國際最前沿就成了她的最大心愿。

▲黃晶在調(diào)試宇宙線探測器（中科院高能物理研究所供圖）

黃晶自小就喜歡滿天的星斗，在童年時代的夏夜，她時常在福建老家院中乘涼，滿天繁星讓她對浩瀚的宇宙充滿了向往。

剛回國時，黃晶就在中國科學(xué)院高能物理所創(chuàng)立自己的實驗室。當(dāng)時只有三間空蕩蕩的屋子，她只得帶著學(xué)生找來廢棄的桌椅搭建起實驗室。探測器組裝完成后無法測試，她的學(xué)生用自行車馱著儀器在高能物理所里轉(zhuǎn)，好不容易才借了一間實驗室，利用周末的時間測試設(shè)備。

宇宙線的起源一直是一個十分前沿的科學(xué)問題，也被認(rèn)為是探索宇宙及其演化過程中神秘未知世界的金鑰匙。100多年來，盡管與之相關(guān)的探索與研究已經(jīng)產(chǎn)生了5枚諾貝爾獎牌，但超高能宇宙線的起源問題至今未解，因此也被科學(xué)界稱之為世紀(jì)之謎。

通常認(rèn)為，低于幾個PeV能量的宇宙線主要產(chǎn)生于銀河系內(nèi)，并且高能物理學(xué)家們已經(jīng)建立了理論模型。而能將宇宙線加速到 PeV 能量的天體——PeVatron，科學(xué)家們認(rèn)為，候選者包括超新星遺跡、恒星形成區(qū)和銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞等，但此前一直沒有得到觀測證實。

在回國開始研究以后，通過高能宇宙線捕捉PeVatron天體源成了黃晶和研究團(tuán)隊的重要目標(biāo)。宇宙線實驗從設(shè)計、研制、驗證、實施到最后出成果，是一個漫長的過程，往往一個實驗就需要堅持二三十年，黃晶只能在不斷努力和堅持中靜待花開。

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在羊八井發(fā)燒快到40度

2012年，黃晶開始擔(dān)任中日合作西藏 ASγ實驗的中方負(fù)責(zé)人，變得更加忙碌了。但在青藏高原，有時難免有意外發(fā)生。有一次，黃晶在羊八井發(fā)燒快到40度，且有很強(qiáng)的高原反應(yīng)，差點兒把命都丟了?，F(xiàn)場的衛(wèi)生所醫(yī)生急救以后，她又立馬投入了觀測研究。她希望自己能夠盡早發(fā)現(xiàn)PeVatron天體源的蹤跡。

▲左圖:西藏ASgamma實驗觀測到蟹狀星云方向100TeV以上的伽瑪射線（中科院高能物理研究所）；右圖:美國哈勃望遠(yuǎn)鏡觀測的蟹狀星云圖片（圖片來自于NASA）

與質(zhì)子和電子相比，光子有一個十分顯著的特點：它們可以無視磁場，沿著時空允許的最短路徑奔向目標(biāo)。因此，一旦在一個星系內(nèi)確定了光子的來源方向，通常就可以確定其來源。但是發(fā)現(xiàn)PeVatron這樣的天體源并不是一件容易的事情。由于絕大多數(shù)原始宇宙線都帶電荷，它們在傳播的過程中會受到銀河系磁場的偏轉(zhuǎn)，到達(dá)地球時的方向已經(jīng)不再指向源頭了，因此無法通過原始宇宙線的方向來尋找PeVatron。

幸運的是，黃晶表示，原始宇宙線被其源頭的PeVatron加速后能量很高，非常簡單的一個比喻是，這時它們會像洗澡時突然打開的花灑一樣往外沖，有一部分會沖出PeVatron的束縛泄漏出來，而后與天體源附近的分子云發(fā)生碰撞，產(chǎn)生中性π介子，隨后壽命很短的中性π介子衰變產(chǎn)生伽馬射線（這類伽馬射線被稱為是“強(qiáng)子起源”）。因為這種起源處的伽馬射線不帶電荷，作為高能光子的它們不受磁場影響，完全沿著直線傳播，因此觀測到的這種伽馬射線來源方向就是該天體源方向，借此可以尋找 PeVatron。

科學(xué)界現(xiàn)在比較一致的觀點是，判斷一個天體源是不是宇宙線PeVatron，主要有三條判據(jù)：其一，該天體源發(fā)出的伽馬射線能量超過100 TeV；其二，伽馬射線發(fā)射區(qū)與分子云的位置一致；其三，能夠排除超高能伽馬射線產(chǎn)生于脈沖星及其風(fēng)云高能電子的可能性，也就是排除“輕子起源”。

黃晶告訴記者，伽馬射線產(chǎn)生于高能電子的方式被叫做“輕子起源”，也被叫做電子起源或者電子源。這種方式科學(xué)上已經(jīng)有很多觀測結(jié)果，在科學(xué)界十分平常。而源自宇宙線的“強(qiáng)子起源”當(dāng)前依舊還是最為前沿的科學(xué)問題。

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靈敏探測裝置捕捉伽馬射線

工欲善其事必先利其器，現(xiàn)代的前沿基礎(chǔ)物理學(xué)研究必須要依賴強(qiáng)大而靈敏的裝備。2014年黃晶實驗團(tuán)隊在原有的宇宙線地表廣延大氣簇射陣列的地下，增設(shè)了創(chuàng)新型的面積達(dá)到4500平方米的地下繆子 (μ子)水切倫科夫探測器，用于探測宇宙線質(zhì)子與地球大氣作用產(chǎn)生的繆子。而后綜合利用表面和地下探測器陣列的數(shù)據(jù)，可以排除99.92%的宇宙線背景噪聲（也就是其干擾因素)，這樣就可以大大提高探測伽馬射線的靈敏度。

▲西藏羊八井中日合作實驗表面陣列（中科院高能物理研究所供圖）

如今，靈敏的探測裝置終于帶來了豐碩的回報。2021年3月，西藏 ASγ實驗就曾發(fā)布研究成果：首次在銀河系中發(fā)現(xiàn)距地球2600光年的超新星遺跡“ SNR G106.3+2.7 ”方向存在超過100萬億電子伏特的伽馬射線。研究人員發(fā)現(xiàn)，這些伽馬射線的空間分布與附近分子云的分布接近，而與這個區(qū)域內(nèi)存在的脈沖星及其風(fēng)云關(guān)聯(lián)較弱。對這些觀測結(jié)果的一個合理解釋是：質(zhì)子在“SNR G106.3+2.7”附近被激波加速到PeV能區(qū)，然后與附近的分子云碰撞反應(yīng)后產(chǎn)生超高能伽馬射線，因為母粒子衰變產(chǎn)生的伽馬射線，能量只有其1/10。

▲西藏羊八井ASγ實驗地下水切倫科夫探測器（中科院高能物理研究所供圖）

黃晶認(rèn)為，這些伽馬射線可能是被“SNR G106.3+2.7”中的激波加速到PeV的宇宙線（主要成分為質(zhì)子）與附近的分子云碰撞產(chǎn)生的?！癝NR G106.3+2.7”因此成為銀河系中一個候選的PeVatron，為解開超高能宇宙線的起源之謎打開了重要窗口。相關(guān)觀測結(jié)果已于3月2日在《自然-天文學(xué)》正式發(fā)表。

此次，黃晶研究團(tuán)隊在銀河系中彌散伽馬射線的研究中取得更大的突破，他們在銀河系銀盤觀測到了迄今為止最高能量的彌散伽馬射線輻射。黃晶表示，不管是從空間分布上論證，還是從伽馬能譜特征分析，均表明此次發(fā)現(xiàn)的彌散伽馬射線是銀河系內(nèi)的宇宙線源產(chǎn)生的。因為ASγ實驗在銀盤上發(fā)現(xiàn)的超高能彌散伽馬射線，其能譜特征與PeV能量宇宙線和銀河系分子云碰撞產(chǎn)生伽馬射線的模型預(yù)言相符。

黃晶說，銀河系內(nèi)的原始宇宙線被其源頭的PeVatron加速后，會沖出PeVatron的束縛跑得很遠(yuǎn)，但是因為帶有電荷，會發(fā)生磁場偏轉(zhuǎn)并被束縛在銀河系中打轉(zhuǎn)，它們長時間在銀河系中游蕩，到處亂飛，由于銀河系中銀盤位置的分子云最多，它們中的很多就會與分子云發(fā)生碰撞，產(chǎn)生彌散、也就是分散開的伽馬射線，這些伽馬射線就像是PeVatron在銀河系內(nèi)留下的一串串足跡，成為PeVatron存在于銀河系的重要證據(jù)。

解決高能宇宙線起源問題的下一步該往哪走？黃晶認(rèn)為，要徹底解決高能宇宙線起源問題，還差“臨門一腳”,要完成這“臨門一腳”，一是要開發(fā)更先進(jìn)的、創(chuàng)新型的宇宙線立體探測技術(shù)，二是要開展6000米超高海拔宇宙線實驗，以降低實驗觀測閾值并獲得更高質(zhì)量的觀測數(shù)據(jù)。希望在尋找PeVatron天體源方面給大家?guī)砀鼮檎駣^人心的消息。

出品：科普中央廚房

監(jiān)制：北京科技報 | 科學(xué)加客戶端


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