2021年5月17日，國際著名期刊《自然》雜誌發表了我國科學家的一項重要成果：在銀河係內(nei) 發現了能量達1.4拍電子伏特的伽馬光子，相當於(yu) 可見光能量的千萬(wan) 億(yi) 倍！這是人類迄今為(wei) 止探測到的最高能量的光子。

與(yu) 此同時，科學家還觀測到銀河係內(nei) 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係的傳(chuan) 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(chan) 生的“空氣簇射”現象（示意圖）。

上麵這段話，是否感覺每個(ge) 字都認識，但讀完之後還是覺得似懂非懂呢？不懂是正常現象。因為(wei) 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(men) 在這裏把物理名詞一個(ge) 個(ge) 拆解一下，詳細解讀。

什麽(me) 是1.4拍電子伏特伽馬光子？

拍（P）是一個(ge) 單位，代表10^15次方，也就是1千萬(wan) 億(yi) 。例如，目前硬盤的容量能夠達到1T，1P等於(yu) 1000T。

“電子伏特”是能量的單位，通常在微觀領域使用，表示一個(ge) 電子通過1伏特的電壓所獲得的能量。例如，當一個(ge) 電子從(cong) 一節1.5伏的幹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(men) 周圍，可見光的能量大約就是幾個(ge) 電子伏特。

能量的主單位是焦耳，1焦耳相當於(yu) 625億(yi) 億(yi) 電子伏特。而你的手掌，在1秒內(nei) 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(men) 就開始稱其為(wei) 伽馬光子。通常，某些原子核的衰變能夠產(chan) 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(men) 每年的例行體(ti) 檢中都會(hui) 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(wei) 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(yi) 倍。

發現這種拍電子伏特光子有什麽(me) 意義(yi) 嗎？

理論上，單個(ge) 光子的能量似乎沒有上限，著名科幻小說《三體(ti) 》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(ge) 較明確的上限，這個(ge) 上限是由於(yu) 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%是由於(yu) 微波背景輻射幹擾的結果。

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(hui) 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(yi) 重大了。

因此，該發現改變了人類對銀河係的傳(chuan) 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(chan) 生機製一直困擾著高能天體(ti) 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(wan) 倍的高能質子，這種微觀粒子的能量可相當於(yu) 一枚飛行的棒球。

但質子是帶電荷的，它們(men) 在宇宙中穿行的過程中會(hui) 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(chan) 生機製。高能光子則不一樣，它們(men) 是不帶電的，能夠追溯其起源的地方，也就為(wei) 研究超高能宇宙線的加速機製鎖定了研究對象。

什麽(me) 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，然後讓兩(liang) 束這樣的近光速粒子流發生迎頭碰撞，產(chan) 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(men) 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(chan) 生，能夠產(chan) 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於(yu) 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(ge) “拍電子伏特超高能宇宙線加速器”，這表明銀河係內(nei) 普遍存在此種類型的天然加速器。

這些高能粒子的加速機製是什麽(me) 呢？現有的高能粒子加速機製，已無法完美解釋本次的新發現，亟需構建新的理論模型。

什麽(me) 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於(yu) 中國四川省稻城縣海子山，占地麵積約1.36平方公裏。其核心科學目標是：探索高能宇宙線起源以及相關(guan) 的宇宙演化和高能天體(ti) 活動，並尋找暗物質；廣泛搜索宇宙中尤其是銀河係內(nei) 部的伽馬射線源，並精確測量它們(men) 的能譜；揭示宇宙線加速和傳(chuan) 播的規律，探索新物理前沿。

LHAASO采用什麽(me) 原理探測宇宙線的？

我們(men) 知道，LHAASO雖然位於(yu) 高海拔，但仍然處於(yu) 大氣中，當高能宇宙線來到地球後，首先要與(yu) 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(chan) 生次級粒子，次級粒子還會(hui) 產(chan) 生次級粒子，直到能量低於(yu) 某個(ge) 臨(lin) 界值時，次級粒子才停止產(chan) 生。

這樣，一顆高能粒子，就能產(chan) 生N多次級粒子，這些次級粒子像陣雨一樣灑向地麵，灑向探測器，專(zhuan) 業(ye) 上稱為(wei) “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(ge) 高能粒子的性質。

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

那麽(me) ，LHAASO采用什麽(me) 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：用於(yu) 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(wei) 塑料閃爍體(ti) ，通過波長位移光纖收集帶電粒子在閃爍體(ti) 內(nei) 產(chan) 生的閃爍光,並傳(chuan) 導到光電倍增管，轉換為(wei) 電信號進行測量。

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

3、水切倫(lun) 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(chan) 生的切倫(lun) 科夫光，達到在甚高能中低能段對整個(ge) 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(lun) 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(chan) 生的切倫(lun) 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曆了三個(ge) 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(wei) 探測介質，在地麵進行觀測，探測器規模可遠大於(yu) 大氣層外的天基探測器。由於(yu) 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(ge) 高山宇宙線實驗室在海拔3180米的雲(yun) 南東(dong) 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(hui) 議上，曹臻研究員提出在高海拔地區建設大型複合探測陣列“高海拔宇宙線觀測站”的完整構想。

LHAASO的主體(ti) 工程於(yu) 2017年開始建設，2019年4月完成1/4的規模建設並投入科學運行。

2020年1月，LHAASO完成了1/2規模的建設並投入運行，同年12月完成3/4規模並投入運行。

2021年，LHAASO陣列將全部建成，成為(wei) 國際領先的超高能伽馬探測裝置，投入長期運行，從(cong) 多個(ge) 方麵展開宇宙線起源的探索性研究。