改变人类对银河系粒子加速传统认知的发现，到底是什么？ 川观深度 伽马
四川在线采访人员 徐莉莎
广袤宇宙中除了繁星，还隐藏一个秘密——宇宙线。100多年前，奥地利物理学家维克多·赫斯意外发现了宇宙线，这个学科至今已经产生了5个诺贝尔奖。宇宙线起源成为“世纪之谜”。
位于四川稻城的一个国家重大科技基础设施——高海拔宇宙线观测站的最新发现，又将这个学科往前推动了一大步。
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5月17日，中国科学院高能物理研究所与Springer Nature联合发布了这一重大发现——
LHAASO在银河系内发现大量超高能宇宙加速器，并记录到能量达到1.4拍电子伏的伽马光子(拍=千万亿)。
专家介绍，这是人类观测到的最高能量光子，改变了人类对银河系粒子加速的传统认知，开启了“超高能伽马天文学”的时代。
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发布会现场
要理解这一进展，我们首先从宇宙线讲起。
什么是宇宙线?
产生于宇宙深处的高能“子弹”
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。它们主要由质子和多种元素的原子核组成，并包含少量电子和光子，时刻造访着我们的星球。
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。研究宇宙线及其起源，是人类探索宇宙的重要途径。
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高海拔宇宙线观测站观测示意图(中科院高能物理研究所供图)
它们的一个重要特点，就是能量非常高。高能宇宙线的能量跨度为10^9-10^20电子伏特，比人类在地球上造出的加速器产生的能量高得多。
人类现在能将粒子加速到最高能量的加速器，是位于日内瓦的大型强子对撞机(LHC)，它的周长达到27千米。我们这次探测到的最高能量光子是LHC加速能量的100倍。
宇宙线是如何产生的?具体哪个地方发出的?为何能加速到这么高的能量?我们在稻城布下这样的“天罗地网”，来捕捉这些“天外来客”。
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观测基地航拍图
【 改变人类对银河系粒子加速传统认知的发现，到底是什么？|川观深度 | 伽马】作为来自外太空的唯一物质样品，它们是宇宙的信使，我们通过研究其携带的信息，反推它来的方向，找到宇宙加速器所在的位置，进一步了解宇宙起源、天体活动、太阳活动及地球空间环境等重要科学信息。
而宇宙线能量越高则越稀少，需要建设越大规模的探测器来探测。面积越大，接收到高能光子的概率就越大，装置的灵敏度就越高。因此，我们在稻城建设了一个200个足球场大小的阵列，在超高能能区，它的灵敏度比现在运行的探测器灵敏度超过几十倍。
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地面簇射粒子阵列
这一次，到底发现了什么?
发现首批“拍电子伏加速器”和最高能量光子
宇宙线的研究非常困难。宇宙线是带电粒子，碰到宇宙中无处不在的磁场就会偏转。科学家尽量选择光子和中微子作为研究对象，因为这两种粒子不带电，是沿直线传播的，比较容易循着它的“来时路”，找到源头。LHAASO的平方公里探测阵列内的1188个缪子探测器就专门用于排除非光子信号。
根据LHAASO项目首席科学家、中科院高能所研究院曹臻公布的成果，LHAASO项目在银河系内发现了首批“拍电子伏加速器”和最高能量光子。
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发布会现场
这里，我们把成果分为“宇宙线”和“源”(也就是产生它们的超高能宇宙加速器)来理解。
首先，作为目前世界上灵敏度最高的超高能伽马射线探测器，LHAASO不辱使命，探测到1.4拍电子伏特( PeV)的伽马光子(拍=千万亿)，这是人类观测到的最高能量光子。
前面我们说了，宇宙线能量越高，信号强度越弱。即便是亮度最高且被称为“伽马天文标准烛光”的蟹状星云，其发射出来的能量超过1 PeV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。
据曹臻介绍，原来测到的最高能量的光子是0.5PeV，现在我们把结果一下推到了1.4PeV。这不是简单增加了3倍，最重要的是这些光子按照现有理论是不存在的。
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