高能宇宙线来自哪里？这是自宇宙线发现以来跨越了整整一个世纪的未解之谜，而最近位于四川省甘孜州稻城县海拔4410米的海子山上的高海拔宇宙线观测站发现的最新成果让人们离解开这个世纪之谜又进一步。

　　5月17日，一场高能物理学界备受关注的发布会在北京举行。中国科学院高能物理研究所、SpringerNature联合发布了国家重大科技基础设施“高海拔宇宙线观测站（LHAASO）”的重大发现。

　　LHAASO在银河系内发现大量超高能宇宙加速器，并记录到最高1.4拍电子伏伽马光子（拍=千万亿）。

　　这是人类观测到的最高能量光子，突破了人类对银河系粒子加速的传统认知，开启“超高能伽马天文学”的时代。这些发现将于2021年5月17日发表在《Nature》（自然）。该研究工作由中国科学院高能物理研究所牵头的LHAASO国际合作组完成。

　　高海拔宇宙线观测站尚在建设中，这次报道的成果是基于已经建成的1/2规模探测装置，在2020年内11个月的观测数据。科学家们发现了能量超过拍电子伏的光子，来自天鹅座内非常活跃的恒星形成区。

　　此外，科学家们还发现了12个稳定伽马射线源，能量一直延伸到1拍电子伏附近。这是位于LHAASO视场内银河系内最明亮的一批伽马射线源，测到的伽马光子信号高于背景7倍标准偏差以上，源的位置测量精度优于0.3。

　　LHAASO项目首席科学家、中科院高能所研究员曹臻介绍，这次观测积累的数据还很有限，但所有能被LHAASO观测到的源，它们都具有0.1拍电子伏以上的伽马辐射，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。”而人类在地球上建造的最大加速器（欧洲核子研究中心的LHC）只能将粒子加速到0.01拍电子伏。

　　银河系内的宇宙线加速器存在能量极限是个“常识”，过去预言的极限就在拍电子伏附近，从而预言的伽马射线能谱在0.1拍电子伏附近有“截断”现象。

　　LHAASO的发现完全突破了这个“极限”——大多数源没有截断。

　　这些发现开启了“超高能伽马天文”观测时代，表明年轻的大质量星团、超新星遗迹、脉冲星风云等是银河系加速超高能宇宙线起源的最佳候选天体。

　　曹臻表示，这些发现有助于破解宇宙线起源这个“世纪之谜”，同时，科学家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。

　　高海拔宇宙线观测站有望于下月完工

　　全阵列投入科学运行！

　　川观新闻记者从中科院高能所与SpringerNature的联合发布会上获悉，今年6月，国家重大科技基础设施“高海拔宇宙线观测站（LHAASO）”有望于今年6月完工，实现全阵列科学观测。

　　从高处看，占地1.36平方公里的高海拔宇宙线观测站就像一枚铜钱，放置在群山之间。科学家们称其为“孔方兄”。

　　它是由5195个电磁粒子探测器和1188个缪子探测器组成的一平方公里地面簇射粒子阵列（简称KM2A）、78000平方米水切伦科夫探测器、18台广角切伦科夫望远镜交错排布组成的复合阵列，采用四种探测技术全方位、多变量地测量宇宙线。

　　LHAASO的主体工程于2017年开始建设，2019年4月完成1/4的规模建设。与其他大科学装置不一样的是，其他装置要完整主体建设才能投入使用；而LHAASO是一个相对规则的阵列，可以边建设、边运行。

　　当1/4规模阵列投入科学运行时，LHAASO就成为世界上最灵敏的宇宙线探测器。2020年1月完成了1/2规模的建设并投入运行，同年12月完成3/4规模并投入运行。在2021年6月建成后，LHAASO将成为国际领先的超高能伽马探测装置，开始长期运行，从多个方面展开宇宙线起源的探索性研究。

　　啥是宇宙线？对人体有害吗？和日常生活有何关系？

　　我们帮你问了LHAASO首席科学家

　　广袤宇宙中除了繁星，还隐藏一个秘密——无数粒子正以接近光的速度飞驰，它们就是宇宙线。

　　1912年，奥地利物理学家维克多·赫斯意外发现了宇宙线。这些产生于宇宙深处的高能“子弹”，把人类对物质世界的认识深入到粒子层面，并把无限小的微观世界与无限大的宇观世界联系起来。

　　本次重磅发现跟我们日常有什么关系？每时每刻造访地球的宇宙线对人体有害吗？LHAASO为什么建在四川？川观新闻记者专访了LHAASO项目首席科学家、中国科学院高能物理研究所研究员曹臻，告诉你答案。

　　①每时每刻光顾着地球，宇宙线对人体有害吗？

　　曹臻：没有。因为超高能的光子非常少。像这次发现的“拍电子伏宇宙加速器（PeVatron）”周围产生的“超高能伽马光子”信号非常弱，即便是被称为“伽马天文标准烛光”的蟹状星云发射出来的能量超过1PeV的光子在一年内落在一平方公里的面积上也就1到2个，而这1到2个光子还被淹没在几万个通常的宇宙线事例之中，非常稀少。

　　其次，我们的地球有个保护膜，就是大气层。大气层虽然感觉看起来很“稀薄”，但高能量粒子穿透它时会撞到里面的氮、氧等原子核，产生簇射过程，能量会被分解掉。经过分解后，落在人身上的能量就不高了。

　　我们人类就是在这个环境中演化而来的，这些粒子也是我们的生存环境之一。人类生活的环境大多处于海拔1000米-2000米范围内，我们被大气层保护得很好，这也是我们能够在地球上世代繁衍的原因。

　　②宇宙线的研究有什么意义？

　　曹臻：宇宙线携带者宇宙起源、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。此外，我们的目的在于通过新的现象，突破现有的知识和理论。宇宙造了比人类造的高100倍的加速器，这促使我们继续去探索宇宙线产生机制及加速原理，对宇宙和人类未来做更深入的解读。

　　人类对粒子物理的认知，从宇宙线发现单个粒子的存在，到现在对整个粒子家族和相互作用标准模型、整个物质结构有一个完整清晰的认识，花了一个世纪的时间。就是靠加速器实现的。新的现象可能带来新的理论，我们可以基于此次发现探究其源头，学习宇宙加速器的机制。

　　③LHAASO的这些发现，为什么说改变了我们对银河系粒子加速的传统认知？

　　曹臻：大家普遍认为，银河系并不是非常活动剧烈的星系，质量和活跃程度都很中庸。因此得出结论银河系的天体也不是很活跃，不应该产生能量特别高的粒子。故此推断测量到的高能量粒子产生于其他星系。这是我们对传统银河系的认知。

　　但是LHAASO观测到，银河系里有一些天区。比如天鹅座，充满了非常多的大质量恒星。这些恒星质量大，不稳定，快速死亡，快速产生。这样的恒星形成去产生高能量粒子，就是稀松平常的事儿了。

　　因此，科学家们发现了能量超过拍电子伏的光子，来自天鹅座内非常活跃的恒星形成区。证明银河系并不这么温和稳定，只是我们所处的太阳系位置比较边缘，比较稳定。

　　④和我们的生活有什么关系？

　　曹臻：高能量的加速器，目前还没直接进入日常生活中来。但是根据其原理建造的缩小版加速器已经变成医疗设备、工业探伤的重要手段。比如在一些大型医院里，加速器作为肿瘤治疗的基本手段，已经进入了我们的生活。

　　现在我们在东莞建设的散裂中子源，就是一个非常大的加速器。其产生的中子束流，其中一个作用就是用于治疗肿瘤的研究。上周我们高能所开战略研讨会，其中两个报告就谈到，用中子源进行肿瘤治疗，效果很好。高能量的加速器，对生活会越来越重要。

　　⑤为什么LHAASO建在四川？

　　曹臻：高海拔宇宙线观测站的选址历经5年时间，我们在四川、西藏、青海、云南等多个省区进行了勘探和考察。最后综合判断，选择了四川甘孜州稻城县海拔4410米的海子山。

　　原因有几个方面。

　　首先海子山自然条件非常好，海拔高。海拔不够，想要探测的粒子可能被大气吸收掉。如果同样的探测器在1000多米高的地方，就得不到今天我们的重大发现。

　　其次，建设200个足球场这么大的阵列，必须地势平坦。我们的探测器内部需要大量超纯净水，需要良好的交通和通讯，这些都能满足。

　　现在这是世界上最好的站点之一。亚丁机场交通便利，给我们提供了巨大的方便。雅康高速的开通，从理塘到亚丁的高水平国道，给我们运输提供了便利。

　　有欧洲科学家来看后感叹，“想都想不到的建设速度。”