人類首次在天鵝座區(qū)域發(fā)現(xiàn)能量超過千萬億電子伏特的伽馬光子。中科院高能物理研究所供圖
2020年4月初的一天，像往常一樣，中科院高能物理研究所副研究員王玲玉坐到電腦前，分析高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）采集到的數(shù)據(jù)。
很快，一個異常信號進入她的視線。反復(fù)檢查幾次后，她決定把情況告訴她的同事、研究員陳松戰(zhàn)——她調(diào)整好呼吸，以盡可能平靜的語氣說：“LHAASO好像看到了一個超高能伽馬光子?！?/font>
“什么！”陳松戰(zhàn)心頭一震。跟王玲玉一起查看了幾遍后，他們決定通過郵件把情況報告給LHAASO首席科學(xué)家曹臻。郵件文尾寫著：“真假還需要進一步判斷！”
3個月后，事實證明，王玲玉的直覺沒有錯，這的確是LHAASO看到的第一個來自銀河系的超高能伽馬光子，能量達(dá)到1.4PeV（千萬億電子伏特），這意味著光的源頭是一個超高能量的宇宙線加速器。之后，類似事例越來越多，也有越來越多證據(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^1PeV的宇宙線加速器。該成果5月17日發(fā)表于《自然》。
找到12個超高能宇宙線加速器
“看到這些結(jié)果，我此生足矣”
一般來說，0.1PeV都意味著進入了“超高能”物理領(lǐng)域。
物理學(xué)家費米計算過，以人類的加速器技術(shù)，要讓質(zhì)子對撞出0.1PeV能量的光，加速管道要繞地球1/4圈（1萬公里）。
要想在地球上造出這么大的加速器幾乎是不可能的。于是，實驗物理學(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)計的。
當(dāng)王玲玉看到第一個超高能伽馬光子信號時，LHAASO的KM2A剛剛建成一半，設(shè)備還在調(diào)試之中。直到3個月后，他們才謹(jǐn)慎地排除了誤差的可能，確定此前看到的超高能伽馬光子信號不是由統(tǒng)計誤差或儀器故障等原因造成的。同時，他們又在LHAASO布置的望遠(yuǎn)鏡上找到了同時同樣的光信號，印證了信號的真實性。隨著第一個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，他們公布了LHAASO發(fā)現(xiàn)的12個超高能伽馬光的天體源。其中第一個被發(fā)現(xiàn)的伽馬光子能量高達(dá)1.4PeV，來自天鵝座區(qū)域。
這些發(fā)出超高能伽馬光的天體源，被科學(xué)家稱為“超高能宇宙線加速器”，而后者也是他們終其一生所追求的。
《自然》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“新時代的開始”。
LHAASO科學(xué)顧問、ARGO-YBJ實驗意方發(fā)言人B.D’Ettorre說，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后，國際天體物理學(xué)家、LHAASO合作組科學(xué)顧問F.Aharonian直言：“看到這些結(jié)果，我此生足矣！”
把理論物理推離舒適區(qū)
“再測出一兩個來，我們就完蛋了”
1989年，粒子天體物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了第一個能輻射出0.1TeV（萬億電子伏）光子的銀河系天體，由此開啟了“甚高能”伽馬射線天文學(xué)。在這之后的20年里，他們探測到的光能量逐漸接近0.1PeV，但一直沒能突破這一極限。
由此，理論物理學(xué)家判斷，0.1PeV處存在超高能量截斷。換言之，他們認(rèn)為，銀河系里沒有超高能宇宙線加速器。
可是，與理論物理學(xué)家相比，曹臻等實驗物理學(xué)家更愿意相信，超高能光子不是不存在，而是受限于人類探測能力。
“這種光子的數(shù)量非常少，能量超過1PeV的光子，平方公里探測器每年也只能從最亮的源收到一兩個，而且這一兩個光子還會被淹沒在約幾十萬個宇宙線信號之中。”曹臻說。
于是，他們想盡辦法壓低宇宙線信號，提高探測器的靈敏度。2019年，人類探測到第一個能發(fā)出超高能光子的天體，但由于沒有其他探測器觀測到能夠與之印證的信號，這一發(fā)現(xiàn)對超高能截斷理論的沖擊力有限。
有了這樣的前車之鑒，LHAASO在設(shè)計時就同時安排了陣列、望遠(yuǎn)鏡。這樣可以提高LHAASO探測伽馬光子的靈敏度，觀測結(jié)果也可以相互印證，最終徹底推翻原先對超高能量截斷的判斷。
“理論物理學(xué)家對超高能量截斷點的判斷，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，就不一樣了，這個‘舒服’被破壞掉了。對于理論家來說，這是一個很頭痛的問題?！辈苷檎f。
有理論物理學(xué)家曾經(jīng)私下跟曹臻開玩笑說：“你們再測出一兩個超高能量光子來，我們就要徹底完蛋了！”
曹臻告訴《中國科學(xué)報》，大自然有極限，所以超高能量截斷一定存在。那么超高能量截斷究竟在哪里？“我們說不清楚，超高能伽馬光子還在不斷進入LHAASO的視線，我們看到，光譜在PeV之后還在延伸?！辈苷檎f。
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行的11個月里發(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器陣列組成。主體工程于2017年11月開始建設(shè)，到2020年1月，陣列建設(shè)完成了一半并逐步投入運行。
“不到1年的觀測已經(jīng)展現(xiàn)出LHAASO強大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)威力。”每提及此，曹臻都難掩興奮。
由于不少科學(xué)家堅信0.1PeV處存在超高能截斷，最初曹臻等人提出LHAASO方案時，受到強烈質(zhì)疑：“你們花這么多錢建這個東西，沒準(zhǔn)將來啥也看不見?！?/font>
不過，曹臻等人堅信：“宇宙永遠(yuǎn)超出你的想象，只要探測靈敏度達(dá)到了，就一定會看到新現(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，這是非常成功的。也是我們幸運的地方，‘老天爺’確實有這么高能量的加速器。我們贏了！”曹臻說，LHAASO成為了超高能物理領(lǐng)域靈敏度最高的探測器。
關(guān)于今后LHAASO的研究計劃，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，并對它們的能譜開展全覆蓋測量，LHAASO建設(shè)了水切倫科夫探測器陣列（WCDA），使得LHAASO能夠?qū)Τ吣苡钪婢€加速器開展橫跨10個能量量級的多波段研究，以探尋其發(fā)光機制以及背后的粒子加速機制。
此外，由于目前還不能確定超高能伽馬光子的產(chǎn)生機制，LHAASO團隊正在努力開展多信使研究，通過探測光子出現(xiàn)時是否伴隨相應(yīng)的超高能中微子，判斷超高能光子是否由質(zhì)子碰撞產(chǎn)生。
銀河里的宇宙線永不枯竭，科學(xué)家的探索永無止境。正如曹臻在LHAASO年鑒的前言中所寫，“這一切，才是LHAASO傳奇的開始，是曙光，一縷劃破高能伽馬天空的曙光”。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-021-03498-z
（中國科學(xué)報 倪思潔）
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