[科普中国]-来自外太空的高能粒子，如何揭秘宇宙起源？ | 科研团队联合行动

1912年美国物理学家维克多·赫斯利发现，地球大气中存在的带电高能粒子，其实来自遥远的宇宙，而这些粒子也因此被命名为“宇宙射线”。那么，宇宙射线中到底都有哪些粒子，人类又如何探测宇宙射线呢？我国在探测宇宙射线的道路上，又做出了哪些努力，克服了哪些困难呢？

9月21日，“走近科研团队，感受科技魅力”线上直播活动由中国科协科普部主办，果壳、“书香中国•北京阅读季”协办，并得到北京广播电视台及中国科学院大气物理研究所的共同支持。活动邀请了中国科学院高能物理研究所研究员，高海拔宇宙线观测站水切伦科夫探测器列阵负责人陈明君，中国科学院高能物理研究所副研究员，高海拔宇宙线观测站(LHAASO)广角切伦科夫望远镜阵列负责人张寿山，清华大学副研究员，研究领域主要为核电子学、自动控制、嵌入式系统和数据采集，高海拔宇宙线观测站时钟系统负责人龚光华。他们分别从自己的工作领域，为观众分享了高能粒子方面的知识。

什么是宇宙射线？

宇宙射线是来自宇宙空间的高能粒子，它的主要成分是带电粒子，例如质子、氦核、碳氮氧、镁铝硅、铁核等元素和少量的电子，还包含少量中性粒子例如光子和中微子。

宇宙射线至今已经被发现有100多年了，最高能量高达10 21 （十万亿亿） 电子伏特。现在欧洲核子中心大型强子对撞机 （LHC） 能把粒子加速到的最高能量为10 13 （十万亿） 电子伏特。宇宙线射线的最高能量比人工加速器的最高能量高达一亿倍。

对宇宙线的测量分空间直接测量和地面间接测量。直接测量实验需要人造卫星或高空气球来运载探测器，把探测器运载到大气层之上，避免宇宙射线和大气层之间发生反应。我国的悟空暗物质粒子探测卫星就属于直接测量实验。

科学家们在地面上摆放几百平方米，甚至到几千平方公里的探测器阵列，来测量能量在百万亿电子伏特以上的宇宙射线。在地面上摆放探测器阵列来测量宇宙射线的方法被称作地面间接测量方法。例如我国正在建设的，位于四川甘孜州稻城海子山的高海拔宇宙射线观测站 （LHAASO） 实验，就属于地面间接测量。

LHAASO拉索，高海拔宇宙射线观测站

简单来说，高能宇宙线的起源问题，从1912年我们发现它的存在，就一直未获解决的世纪难题，比如说典型的宇宙线，可以有10 13 电子伏能量，远高于我们人类加速器可以产生的能量，那么，如此之高的能量又是从哪里的来的？是怎么得到的呢？我们的“LHAASO”的科学目标就瞄准了这里。

我们所知道得宇宙线主要是高能光子 （也称之为γ） 、质子和其它各种稳定的原子核，这些进入地球大气层的高能宇宙线原初粒子，会与空气中的原子核相碰撞，连续发生强相互作用和电磁相互作用，产生大量次级粒子。这个从一个高能宇宙线原初粒子，在大气中级联产生出大量次级粒子的过程，我们称之为—广延大气簇射 （EAS） ，也是我们LHAASO探测的主要物理过程。

原初宇宙线到达地球的大气层中，产生大量次级粒子 | 中国科学院高能物理所

在LHAASO的近方圆1.3平方公里、布下近万通道的探测器，将探测到这些次级粒子，我们将通过详细测量广延大气簇射中的次级粒子数据信息，追溯出高能宇宙线粒子的特征，再追溯到高能宇宙线粒子的“源”，从而研究高能宇宙线的产生机制。

最近的LHAASO观测站航拍图 | 中国科学院高能物理所

LHAASO由于需要测量高能宇宙线的探测需求，对站址有很多的特殊要求。团队反反复复，曲曲折折，历时五年跑遍了西藏、青海、云南、四川等地选址。最终，美丽的四川稻城海子山以高海拔、交通便利、电力稳定、水资源充足和地方政府强有力支持等优势胜出。

LHAASO项目选址的曲折历史 | 中国科学院高能物理所

从宇宙射线中如何理解宇宙、人类？

从古代人抬头遐想，并陆续提出天圆观、浑天说和地有四游，到伽利略发明第一台天文望远镜初识月球表面，再到实现登月的“一小步”以及各种飞船上天入地，人类对宇宙永远带着敬畏和猎奇未知。而对未知的好奇，是人类科学发展，一个朴素的、永恒的驱动力。

预期在2021年底，完成LHAASO建设安装任务并投入全阵列运行。从投入规模上讲，其可以在宇宙线研究百年历史上排第二，仅次于美国在南极建起的“冰立方”中微子探测器。

宇宙线发现后的100多年来，与之相关的研究获得5次诺贝尔奖，但是人类还不清楚高能宇宙线的主要来源在什么地方。什么样的物理过程把这些粒子加速到如此高的能量？它们飞往地球的旅途中经历了什么？它们在宇宙演化各阶段起什么作用？LHAASO的建成和科学运行，有望回答此类最基本的问题。

LHAASO在稻城海子山的建成，具体位置在稻城亚丁机场附近，也对当地的科技、文化教育、旅游以及地方经济发展产生积极的影响。

作者：陈明君、张寿山、龚光华

编辑：范可鑫、刘天昊、小米、皓铭

排版：凝音

欢迎个人转发到朋友圈

本文版权属于“我是科学家”，未经授权不得转载。如需转载请联系iscientist@guokr.com