“拉索”探寻高能宇宙线起源

  在小说《三体》中，三体人通过“智子”干扰人类粒子物理实验，阻碍物理学的发展进程，导致了人类的科学危机。这一情节也从侧面反映了粒子物理的重要性。

  除了小说中提到的人为加速和对撞的方式，研究粒子物理，还有一个重要途径就是观测宇宙射线。在青藏高原上，有一个高海拔宇宙线观测站，占地面积1.36平方公里，形似一个巨大“圆盘”，每天负责“捕捉”从外太空进入地球大气层的“天外来客”——宇宙线粒子。通过观测到达地球的宇宙线粒子、挖掘其中的信息，它把人类与宇宙连在了一起。

  5月10日，国家重大科技基础设施高海拔宇宙线观测站（LHAASO），简称“拉索”，顺利通过国家验收。

海拔最高规模最大灵敏度最强

  2015年12月31日，国家发改委批复立项，建造新一代宇宙线观测站，项目由中国科学院和四川省人民政府共建，中国科学院成都分院与中国科学院高能物理研究所承担建设，建设周期4年。

  拉索建在海拔4410米的海子山上，占地面积1.36平方公里，相当于190个足球场大小，是目前世界上海拔最高、规模最大、灵敏度最强的宇宙线观测站。

  我国为什么要建设这样一个观测站呢？这得从它的观测对象——“宇宙线”说起。

  宇宙线是来自宇宙的“天外来客”，是高能粒子流的总称。1912年，奥地利物理学家维克多·赫斯意外发现了宇宙线，为探索宇宙奥秘提供了新线索。

  “宇宙线携带着宇宙起源、天体演化、太阳活动及地球空间环境等重要科学信息，研究宇宙线及其起源是人类探索宇宙的重要途径。”拉索项目首席科学家、中国科学院高能所研究员曹臻指出，宇宙线来自哪里，它们又是如何被加速到千倍于人类现有加速器之高的能量，一直是困扰科学家的问题，也是科学家们梦寐以求的探索方向。

  探索宇宙线如此重要，但想要观测到它们并且找到它们的源头，可不是一件容易事！

  宇宙线粒子进入大气层后，就会与大气中的氧或氮原子核发生碰撞引发“级联反应”（也称“簇射过程”）。曹臻向记者介绍，这就好比一场粒子“阵雨”，可在顷刻间散布在数平方公里的面积上；而在抵达地面的路途中，大气层会“吞噬”一部分粒子“阵雨”。

  “要想赶在大气层‘吞噬’粒子‘阵雨’之前去捕捉到尽可能多的次级粒子，就需要在高海拔地区建设大规模的观测站。”曹臻说。

  为了实现这个目标，拉索在青藏高原搭起了一张“天网”：在1.36平方公里的面积内，拥有三大探测器阵列——由5216个电磁粒子探测器和1188个缪子探测器构成的一平方公里地面簇射粒子探测器阵列、78000平方米的水切伦科夫探测器阵列以及18台广角切伦科夫望远镜。

  “凭借世界屋脊的海拔优势，搭配这四种探测技术互相配合、优势互补的复合测量，拉索成为目前世界上最灵敏的超高能伽马射线探测装置、世界上灵敏度最高的甚高能伽马射线源巡天普查望远镜，以及能量覆盖范围最宽的超高能宇宙线复合式立体测量系统。”曹臻说。

边建设边运行，结出累累硕果

  2017年，拉索主体工程动工。为克服环境对工程的影响、充分利用观测资源，曹臻等人提出了“边建设，边运行”的思路。

  “第一年，我们先建1/4，运行半年，然后再建1/4，凑成1/2，再运行半年。”让曹臻意想不到的是，到2020年，仅建成1/2规模的拉索，用不到一年的观测数据就取得了斐然的成果：通过探测落在地球上的伽马光子，拉索发现了12个超高能伽马射线源，这一成果于2021年5月17日发表在《自然》杂志上。

  这一成果意味着什么？

  “这个发现开启了‘超高能伽马天文学’时代。”曹臻向记者介绍，此前科学家认为银河系内的宇宙线加速器的能量极限在0.1PeV附近，并且伽马射线能谱在0.1PeV以上有“截断”现象；而此次被拉索观测到的源都具有0.1PeV以上的伽马辐射，也叫“超高能伽马辐射”，这表明银河系内遍布拍电子伏加速器。

  “这完全突破了曾经预测的‘极限’，证实大多数源没有截断。科学家们也需要重新认识银河系高能粒子的产生、传播机制，探索极端天体现象及其相关的物理过程并在极端条件下检验基本物理规律。”曹臻表示，随着拉索的建成和持续不断的数据积累，可以预见这一探索极端天体物理现象的最高能量天文学研究将给我们展现一个充满新奇现象的未知“超高能宇宙”。

  一个多月后的7月9日，《科学》杂志上出现了来自拉索的另一项研究成果：科研人员利用拉索，精确测量了高能天文学标准烛光——蟹状星云的亮度，在更广的能量范围内为超高能伽马光源测定了新标准，并由此确定在大约仅为太阳系1/10大小的星云核心区内，存在能力超强的粒子加速器，直逼经典电动力学和理想磁流体力学理论所允许的加速极限。

  “这一次拉索测量了蟹状星云辐射的最高能量端能谱，覆盖了从0.5万亿到1100万亿电子伏宽广的范围，不但确认了此范围内其他实验几十年的观测结果，还精确测量了前所未有的超高能区，即从300万亿至1100万亿电子伏的能区。”曹臻告诉记者，这项成果为该能区标准烛光设定了亮度标准，此后该领域的实验必须以拉索此次测量结果为“尺”进行对标。

  捷报频传。2022年10月9日21点17分（北京时间），拉索、“慧眼”卫星（Insight-HXMT）和“极目”空间望远镜（GECAM-C）同时探测到迄今最亮的伽马射线暴（编号GRB 221009A），这是我国首次实现对伽马射线暴的天地多手段联合观测。

  “这是一个惊人的发现！大家做了一个估算，在这么高能量、这么近的距离，能够发现一个刚爆的伽马射线暴，大概1000年才会出现一次。”谈及这次伽马射线暴，北京大学物理学院教授马伯强非常激动，“这次观测结果有可能关联到新物理，包括没有被人类证实存在的轴子，以及一些没有被观测的惰性中微子，为进一步探索提供了可能。”

  曹臻告诉记者，本次拉索探测到的最高光子能量超过10万亿电子伏，将伽马射线暴光子最高能量纪录提升十多倍，在国际上首次打开10万亿电子伏波段的伽马射线暴观测窗口。而且，这次拉索在千亿电子伏以上的甚高能区记录到几万个光子信号，将给出伽马射线暴最高能段的光变曲线最精细的测量，这对于揭示伽马射线暴的爆发机制具有重要价值。

未来希望在南半球建更大“拉索”

  “沿着拉索的发现，未来还有可能在伽马天文、宇宙射线领域继续产生重大成果，甚至对中微子探测的发展方向都会产生重大影响。”对于拉索的“不菲战绩”，曹臻欣喜地表示。

  谈到未来的规划，曹臻表示，拉索团队计划在已有的4种探测器阵列之外，将再新增一个由32台望远镜组成的新阵列(LACT)。“这个阵列建好之后，拉索相当于又增加了一双‘火眼金睛’，将具有超高能宇宙线发射位置的识别能力，有望进一步逼近最终的答案。”

  如何最大化地利用和分析拉索获取的宝贵数据也是关键。

  今年2月13日，我国宇宙线研究的“最强大脑”——天府宇宙线研究中心落户成都天府新区。“研究中心分设宇宙线研究室、探测技术研究室、高海拔观测及验证实验室，为拉索提供技术、实验方面的支撑，并且深入开展拉索数据的科学分析工作。”曹臻表示，未来天府宇宙线研究中心将成为“拉索的大本营”和全球宇宙线研究的高地。

  在依托拉索开展宇宙线研究的同时，中国第四代、第五代宇宙线研究者将走向世界，参与南天大视场伽马射线天文台（SWGO）的酝酿工作。三个月前，来自10余个国家超过80个研究单位组成的庞大研究组，已经在雄心勃勃地计划，未来几年内将在南半球建设一个大视场伽马射线望远镜。

  “现在，拉索只是在北半球看北天区，我们到南半球去建设一个类似拉索的项目，甚至比拉索的规模更大，那里有银河系的主要部分。”曹臻讲述着“中国造”大装置的出海计划。

  曹臻透露，目前南半球项目正处于选址考察阶段，“项目建成后，可以与位于北半球的拉索项目南北合作，进行包含银心区域的近乎全天区的巡天扫描和时域天文研究。”

  （本报记者 崔兴毅 本报通讯员 蔡雨琪）