2021年5月17日，國際著名期刊《自然》雜志發表了我國科學家的一項重要成果：在銀河系內發現了能量達1.4拍電子伏特的伽馬光子，相當于可見光能量的千萬億倍!這是人類迄今為止探測到的最高能量的光子。

　　與此同時，科學家還觀測到銀河系內存在大量天然的 “超高能宇宙線加速器”。該發現改變了人類對銀河系的傳統認知，開啟了“超高能伽馬天文學”時代。

　　
 

　　圖注：高能宇宙線轟擊地球大氣，產生的“空氣簇射”現象(示意圖)。

　　上面這段話，是否感覺每個字都認識，但讀完之后還是覺得似懂非懂呢?不懂是正常現象。因為本來高能物理就是物理學皇冠上的明珠，是非常窄重的領域，再加上這又是一項最新的成果。我們在這里把物理名詞一個個拆解一下，詳細解讀。

　　什么是1.4拍電子伏特伽馬光子?

　　拍(P)是一個單位，代表10^15次方，也就是1千萬億。例如，目前硬盤的容量能夠達到1T，1P等于1000T。

　　“電子伏特”是能量的單位，通常在微觀領域使用，表示一個電子通過1伏特的電壓所獲得的能量。例如，當一個電子從一節1.5伏的干電池的負極運動到正極，就能獲得1.5電子伏特的能量。我們周圍，可見光的能量大約就是幾個電子伏特。

　　能量的主單位是焦耳，1焦耳相當于625億億電子伏特。而你的手掌，在1秒內就能釋放大約1焦耳能量。可見，在宏觀領域，電子伏特是非常小的單位。

　　
 

　　圖注：電磁波譜。

　　大家可能都聽說過，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，當光子的能量達到100千電子伏特以上時，人們就開始稱其為伽馬光子。通常，某些原子核的衰變能夠產生伽馬光子，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胞。

　　我們每年的例行體檢中都會拍胸片，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，這次我國科學家利用新建的高海拔宇宙線觀測站(LHAASO)觀測到了能量為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。

　　發現這種拍電子伏特光子有什么意義嗎?

　　理論上，單個光子的能量似乎沒有上限，著名科幻小說《三體》中描繪說，宇宙中的超級文明通過釋放“光粒”就能摧毀一顆恒星。

　　但現實中，來自宇宙中的高能光子的能量有一個較明確的上限，這個上限是由于宇宙中到處充斥著宇宙微波背景輻射的緣故。微波背景輻射無處不在，古老電視屏幕跳動的雪花中，大約有1%是由于微波背景輻射干擾的結果。

　　當高能光子遇到宇宙微波背景輻射中的這些低能光子時，就會發生碰撞消耗能量。理論上，當光子的能量達到拍電子伏特時，就無法繼續升高了。也就是說，這次我國科學家觸碰到了高能光子能量的實際上限，極限附近最容易發現新物理，當然意義重大了。

　　因此，該發現改變了人類對銀河系的傳統認知，也開啟了“超高能伽馬天文學”時代。

　　此外，超高能宇宙線的來源和產生機制一直困擾著高能天體物理學家。其實，宇宙中能量更高的射線是高能質子，人類早已探測到能量比這次“拍電子伏特光子”能量還高數萬倍的高能質子，這種微觀粒子的能量可相當于一枚飛行的棒球。

　　但質子是帶電荷的，它們在宇宙中穿行的過程中會受到星際磁場的偏轉，因此無法追溯其來源，也就無法研究其產生機制。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制鎖定了研究對象。

　　什么是“超高能宇宙線加速器”?

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

　　
 

　　圖注：大型強子對撞機的加速管道。

　　我們知道，宇宙中到處都有高能粒子(射線)，這些粒子的能量同樣是靠某種天然的加速機產生，能夠產生高能粒子的地方，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，這次發現的1.4拍電子伏特光子的能量相當于LHC中質子能量的幾百倍。

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

　　這些高能粒子的加速機制是什么呢?現有的高能粒子加速機制，已無法完美解釋本次的新發現，亟需構建新的理論模型。

　　什么是高海拔宇宙線觀測站?

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

　　
 

　　圖注：LHAASO遠景圖。(來源：高能物理所)。

　　高海拔宇宙線觀測站位于中國四川省稻城縣海子山，占地面積約1.36平方公里。其核心科學目標是：探索高能宇宙線起源以及相關的宇宙演化和高能天體活動，并尋找暗物質;廣泛搜索宇宙中尤其是銀河系內部的伽馬射線源，并精確測量它們的能譜;揭示宇宙線加速和傳播的規律，探索新物理前沿。

　　LHAASO采用什么原理探測宇宙線的?

　　我們知道，LHAASO雖然位于高海拔，但仍然處于大氣中，當高能宇宙線來到地球后，首先要與大氣層中的原子核發生碰撞，根據愛因斯坦的質能公式，能夠產生次級粒子，次級粒子還會產生次級粒子，直到能量低于某個臨界值時，次級粒子才停止產生。

　　這樣，一顆高能粒子，就能產生N多次級粒子，這些次級粒子像陣雨一樣灑向地面，灑向探測器，專業上稱為“空氣簇射”。

　　因此，探測器直接探測到的，實際上是這些次級粒子。通過測量這些次級粒子的性質，反推第一個高能粒子的性質。

　　
 

　　圖注：高能粒子產生大氣簇射，LHAASO各探測器對簇射的觀測(示意圖)來源：《自然》雜志。

　　那么，LHAASO采用什么方式探測的呢?LHAASO采用了四種探測器符合測量這些次級粒子。

　　1、電磁粒子探測器陣列：用于測量宇宙線空氣簇射中的次級電磁粒子，對原初宇宙線的方向，芯位和能量進行重建。探測介質為塑料閃爍體，通過波長位移光纖收集帶電粒子在閃爍體內產生的閃爍光,并傳導到光電倍增管，轉換為電信號進行測量。

　　2、繆子探測器(MD)陣列：用于測量宇宙線空氣簇射中的繆子含量。基本構造是在結構體體內放置高反射率水袋，水袋內裝超純水，水袋頂部中心安裝光電倍增管，收集進入水體的繆子在水中產生的切倫科夫光，轉換為電信號進行測量。

　　3、水切倫科夫探測器陣列：通過觀測廣延空氣簇射中的次級粒子在水中產生的切倫科夫光，達到在甚高能中低能段對整個北天區伽馬源巡天觀測的目的，經過數據分析，可以重建出原初伽馬射線或宇宙線的到達方向、能量等參數等。

　　4、廣角切倫科夫望遠鏡陣列：測量高能宇宙線或高能伽馬射線通過簇射在大氣中產生的切倫科夫光或熒光。借助望遠鏡獨有的可移動特性，通過階段性陣列布局調整，聯合其他探測器，精確測量宇宙線成份能譜。

　　我國的宇宙線研究發展簡史

　　我國的宇宙線實驗研究經歷了三個階段，目前在建的LHAASO是第三代高山宇宙線實驗室。

　　高山實驗能夠充分利用大氣作為探測介質，在地面進行觀測，探測器規模可遠大于大氣層外的天基探測器。由于超高能量宇宙線數量稀少，這是唯一的觀測手段。

　　1954年，中國第一個高山宇宙線實驗室在海拔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了中日合作的宇宙線實驗;

　　2000年，啟動中意ARGO實驗。

　　2009年，在北京香山科學會議上，曹臻研究員提出在高海拔地區建設大型復合探測陣列“高海拔宇宙線觀測站”的完整構想。

　　LHAASO的主體工程于2017年開始建設，2019年4月完成1/4的規模建設并投入科學運行。

　　2020年1月，LHAASO完成了1/2規模的建設并投入運行，同年12月完成3/4規模并投入運行。

　　2021年，LHAASO陣列將全部建成，成為國際領先的超高能伽馬探測裝置，投入長期運行，從多個方面展開宇宙線起源的探索性研究。