2020年4月初的一天，像往常一樣，中國(guó)科學(xué)院高能物理所副研究員王玲玉坐到電腦前，打開(kāi)高海拔宇宙線觀測(cè)站（LHAASO）采集到的數(shù)據(jù)。

很快，一個(gè)異常信號(hào)進(jìn)入了她的視線。反復(fù)檢查幾次后，她決定把情況報(bào)告給她的同事、研究員陳松戰(zhàn)，她調(diào)整好呼吸，以盡可能平靜的語(yǔ)氣說(shuō)：“LHAASO好像看到了一個(gè)超高能伽馬光子?！?/p>

“什么！”陳松戰(zhàn)心頭一震。跟王玲玉一起查看了幾遍后，他們決定通過(guò)郵件把情況報(bào)告給LHAASO的首席科學(xué)家曹臻。郵件文尾寫(xiě)著：“真假還需要進(jìn)一步判斷?。。。。。　?/p>

三個(gè)月后，事實(shí)證明，王玲玉的直覺(jué)沒(méi)有錯(cuò)，這的確是LHAASO看到的第一個(gè)來(lái)自銀河系的超高能伽馬光子，能量達(dá)到1.4PeV（千萬(wàn)億電子伏），這意味著光的源頭是一個(gè)超高能量的宇宙線加速器。之后，類似事例越來(lái)越多，也有越來(lái)越多證據(jù)表明，與理論物理學(xué)家的判斷不同，銀河系內(nèi)普遍存在能夠?qū)⒘Ｗ幽芰考铀俪^(guò)1 PeV的宇宙線加速器。5月17日，該成果發(fā)表于《自然》雜志。

人類首次在天鵝座區(qū)域發(fā)現(xiàn)能量超過(guò)千萬(wàn)億電子伏特的伽馬光子（中科院高能物理所供圖）

LHAASO四分之三陣列（攝于2020年12月28日）（中科院高能物理所供圖）

找到12個(gè)超高能宇宙線加速器

“看到這些結(jié)果，我此生足矣”

一般來(lái)說(shuō)，0.1PeV都意味著進(jìn)入了“超高能”物理領(lǐng)域。

物理學(xué)家費(fèi)米計(jì)算過(guò)，以人類的加速器技術(shù)，要讓質(zhì)子對(duì)撞出0.1PeV能量的光，加速管道要繞地球四分之一圈（1萬(wàn)公里）。

要想在地球上造出這么大的加速器，幾乎是不可能的。于是，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家把目光瞄準(zhǔn)了廣袤的宇宙。他們想知道，宇宙中是否存在能把粒子加速到0.1PeV的超高能加速器，如果存在，其加速機(jī)制又是什么。

LHAASO的平方公里陣列（KM2A）就是為搜尋這種超高能宇宙線加速器而設(shè)計(jì)的。

地面簇射粒子陣列KM2A（攝于2020年6月13日）（中科院高能物理所供圖）

當(dāng)王玲玉看到第一個(gè)超高能伽馬光子信號(hào)時(shí)，LHAASO的平方公里陣列（KM2A）剛剛建好一半，設(shè)備還在調(diào)試之中。直到三個(gè)月后，他們才謹(jǐn)慎地排除誤差的可能，確定此前看到的超高能伽馬光子信號(hào)不是由統(tǒng)計(jì)誤差或儀器故障等原因造成的。同時(shí)，他們又在LHAASO布置的望遠(yuǎn)鏡上找到了同一時(shí)刻同樣的光信號(hào)，印證了信號(hào)的真實(shí)性。隨著第一個(gè)超高能伽馬光子被確認(rèn)，調(diào)試好的設(shè)備很快又發(fā)現(xiàn)了不少類似的超高能光子。

此次，他們通過(guò)《自然》雜志，公布了LHAASO發(fā)現(xiàn)的12個(gè)超高能伽馬光的天體源。其中，第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的伽馬光子能量高達(dá)1.4PeV，來(lái)自天鵝座區(qū)域。

這些發(fā)出超高能伽馬光的天體源，被科學(xué)家們稱為“超高能宇宙線加速器”，而超高能宇宙線加速器也是他們畢其一生夢(mèng)寐以尋的。

《自然》雜志的匿名審稿人看到論文后驚呼，LHAASO的發(fā)現(xiàn)是“真正的突破”，標(biāo)志著“新時(shí)代的開(kāi)始”。

LHAASO科學(xué)顧問(wèn)、ARGO-YBJ意方發(fā)言人B.D’Ettorre所言，這一成果“照亮的是廣闊非熱宇宙的壯麗河山”。

得知LHAASO找到這么多超高能宇宙線加速器之后，國(guó)際著名天體物理學(xué)家、LHAASO合作組科學(xué)顧問(wèn)F.Aharonian直言：“看到這些結(jié)果，我此生足矣（I could die after seeing the results）！”

把理論物理推離舒適區(qū)

“再測(cè)出一兩個(gè)來(lái)，我們就完蛋了”

1989年，粒子天體物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)能輻射出0.1TeV（萬(wàn)億電子伏）光子的銀河系天體，由此開(kāi)啟了“甚高能”伽馬射線天文學(xué)。在這之后的20年里，他們探測(cè)到的光的能量逐漸接近0.1PeV，但一直沒(méi)能突破這一極限。

由此，理論物理學(xué)家判斷，0.1PeV處存在超高能量截?cái)?。換言之，他們認(rèn)為，銀河系里沒(méi)有超高能宇宙線加速器。

可是，與理論物理學(xué)家相比，曹臻等實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家更愿意相信，超高能光子不是不存在，而是人類探測(cè)能力有限。

“這種光子的數(shù)量非常少，能量超過(guò)1 PeV的光子，平方公里探測(cè)器每年也只能從最亮的源收到1到2個(gè)，而且這1到2個(gè)光子還會(huì)被淹沒(méi)在約幾十萬(wàn)個(gè)宇宙線信號(hào)之中。”曹臻說(shuō)。

于是，他們想盡辦法壓低宇宙線信號(hào)，提高探測(cè)器的靈敏度。2019年，人類探測(cè)到了第一個(gè)能發(fā)出超高能光子的天體，但由于沒(méi)有其他探測(cè)器看到能夠與之印證的信號(hào)，這一發(fā)現(xiàn)對(duì)超高能截?cái)嗬碚摰臎_擊力有限。

有了這樣的前車之鑒，LHAASO在設(shè)計(jì)時(shí)就同時(shí)安排了陣列、望遠(yuǎn)鏡，這樣，可以提高LHAASO探測(cè)伽馬光子的靈敏度，觀測(cè)結(jié)果也可以相互印證，讓原先對(duì)超高能量截?cái)嗟呐袛鄰氐妆煌品?/p>

廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列（中科院高能物理所供圖）

“理論物理學(xué)家對(duì)超高能量截?cái)帱c(diǎn)的判斷，滿足現(xiàn)有理論預(yù)期，所以大家很舒服。但LHAASO的結(jié)果拿出來(lái)，就不一樣了，這個(gè)‘舒服’被破壞掉了。對(duì)于理論家來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)巨頭痛的問(wèn)題?！辈苷檎f(shuō)。

有理論物理學(xué)家曾經(jīng)私下跟曹臻開(kāi)玩笑說(shuō)：“你們?cè)贉y(cè)出一個(gè)兩個(gè)超高能量光子來(lái)，我們就要徹底完蛋了！”

曹臻告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，大自然有極限，所以超高能量截?cái)嘁欢ù嬖?。那么超高能量截?cái)嗑烤乖谀睦?？“我們說(shuō)不清楚，超高能伽馬光子還在不斷進(jìn)入LHAASO的視線，我們看到，光譜在PeV之后還在延伸?！辈苷檎f(shuō)。

出道即C位

“宇宙永遠(yuǎn)超出你的想象”

此次發(fā)布的成果，是LHAASO建成的一半陣列，在最初運(yùn)行的11個(gè)月里發(fā)現(xiàn)的，也是LHAASO公布的首批科學(xué)成果。

LHAASO由布置在1.3平方公里面積上的高能粒子探測(cè)器陣列組成。主體工程于2017年11月開(kāi)始建設(shè)，到2020年1月，陣列建設(shè)完成了一半并逐步投入運(yùn)行。

“不到一年的觀測(cè)已經(jīng)展現(xiàn)出LHAASO強(qiáng)大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)威力?！泵刻峒按?，曹臻都難掩興奮。

由于不少科學(xué)家堅(jiān)信0.1PeV處存在超高能截?cái)?，最初曹臻等人提出LHAASO方案時(shí)，受到強(qiáng)烈質(zhì)疑：“你們花這么多錢建這個(gè)東西，沒(méi)準(zhǔn)將來(lái)就是啥也看不見(jiàn)?！?/p>

不過(guò)，曹臻等人也有他們所堅(jiān)信的：“宇宙永遠(yuǎn)超出你的想象，只要探測(cè)靈敏度達(dá)到了，就一定會(huì)看到新現(xiàn)象！”

在質(zhì)疑聲中，他們把LHAASO的主要能區(qū)瞄準(zhǔn)在超高能?！艾F(xiàn)在看來(lái)，這是非常成功的。這也是我們幸運(yùn)的地方，老天爺確實(shí)有這么高能量的加速器。我們贏了！”曹臻說(shuō)，LHAASO成為了超高能物理領(lǐng)域靈敏度最高的探測(cè)器。

關(guān)于今后LHAASO的研究計(jì)劃，曹臻介紹，2021年，LHAASO將完成全部工程建設(shè)。為了探索到更多超高能宇宙線加速器，并對(duì)它們的能譜開(kāi)展全覆蓋的測(cè)量，LHAASO建設(shè)了水切倫科夫探測(cè)器陣列（WCDA），使得LHAASO能夠?qū)Τ吣苡钪婢€加速器開(kāi)展橫跨十個(gè)能量量級(jí)的多波段研究，以探尋其發(fā)光機(jī)制以及背后的粒子加速機(jī)制。

WCDA水池內(nèi)安裝到位的部分探測(cè)器陣列（攝于2020年7月16日）（中科院高能物理所供圖）

此外，由于目前還不能確定超高能伽馬光子的產(chǎn)生機(jī)制，LHAASO團(tuán)隊(duì)正在努力開(kāi)展多信使研究，通過(guò)探測(cè)光子出現(xiàn)時(shí)是否伴隨著相應(yīng)的超高能中微子，來(lái)判斷超高能光子是否是由質(zhì)子碰撞產(chǎn)生的。

銀河里，宇宙線永不枯竭，科學(xué)家的探索永無(wú)止境。正如曹臻在LHAASO年鑒的前言中所寫(xiě)：“這一切，才是LHAASO傳奇的開(kāi)始，是曙光，一縷劃破高能伽馬天空的曙光。”

相關(guān)論文DOI：10.1038/s41586-021-03498-z


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