在上個(gè)世紀(jì)眾多令人驚嘆并且難以忘懷科學(xué)發(fā)現(xiàn)中，有一個(gè)就是探測(cè)到來(lái)自外太空的輻射，即現(xiàn)在稱(chēng)之為“宇宙線”的高能基本粒子流。這種輻射來(lái)自外太空的第一個(gè)證據(jù)是由赫斯（V. Hess）通過(guò)七次不同高度的熱氣球飛行實(shí)驗(yàn)中測(cè)量得到的（1912）。其中最后一次的飛行高度達(dá)到5350米，從而證實(shí)了這種具有強(qiáng)大穿透力的輻射的確來(lái)自大氣層的上方而不是來(lái)自地球土壤的輻射。通過(guò)在日食情況下實(shí)施這種飛行實(shí)驗(yàn)，他還進(jìn)一步排除了這種輻射來(lái)自太陽(yáng)的可能性。盡管如此，太陽(yáng)仍然是非常密集的低能量宇宙線的供應(yīng)者，這種特定的低能宇宙線以每秒400公里的速度不間斷地轟擊著地球，也就是我們熟知的太陽(yáng)風(fēng)。很幸運(yùn)，地球強(qiáng)大的磁場(chǎng)把這些低能的宇宙線掃到了旁邊，從而避免了我們的大氣不至于像火星大氣那樣被太陽(yáng)風(fēng)徹底吹跑。

　　當(dāng)更高能量的宇宙線粒子突破了磁場(chǎng)的屏蔽時(shí)，大氣層進(jìn)一步保護(hù)了地球。這些來(lái)自銀河系或者甚至銀河系以外的高能帶電粒子，分布在從109電子伏特到令人難以置信的1021電子伏特橫跨12個(gè)量級(jí)的能量范圍上，形成一個(gè)數(shù)量隨能量迅速遞減的“譜”。一個(gè)整體的圖像是，我們的星球作為銀河系中的一個(gè)普通的天體在環(huán)繞銀心的運(yùn)動(dòng)中從各個(gè)方向被帶電（宇宙線）和中性（紫外、X-射線、伽馬射線和中微子）的輻射不間斷地轟擊，而地磁場(chǎng)和大氣提供了一副有效的安全屏障。從這個(gè)意義上講，撇開(kāi)科學(xué)探索的興趣愛(ài)好，研究這個(gè)威脅地球上生命存在的自然現(xiàn)象的重要性也是不言而喻的。

　　在人工加速器尚未充分發(fā)展起來(lái)的上世紀(jì)50年代，宇宙線還是高能物理研究的主要粒子源：許多基本粒子，如正電子、繆子、p介子和奇異粒子，都是在宇宙線中發(fā)現(xiàn)的，在粒子物理的發(fā)展史上扮演了非常顯著的核心角色?，F(xiàn)如今，宇宙線研究更加關(guān)注其自身，因?yàn)樗鼈兪莻鬟f宇宙深處高能極端現(xiàn)象的“信使”，展現(xiàn)給人類(lèi)的是相對(duì)論性的的宇宙，也就是熟知的“非熱宇宙”，其中充滿(mǎn)了劇烈的天體活動(dòng)，動(dòng)輒涉及到人工加速器從未達(dá)到的高能量。最高能量的宇宙線粒子攜帶的能量是位于歐洲核子研究中心（CERN）的巨型加速器LHC所產(chǎn)生的質(zhì)子能量的一千萬(wàn)倍！這些宇宙加速器是如何把粒子加速到如此之高的能量？它們又有什么特性？就成為了基本的科學(xué)問(wèn)題，然而至今沒(méi)有確切的答案。顯而易見(jiàn)，這些宇宙加速器也就成為了檢驗(yàn)極高能量條件下物理規(guī)律是否還正確、有效的天然實(shí)驗(yàn)室。

　　粒子物理和天體物理因此就成為宇宙線研究的中心課題。宇宙線的起源、加速機(jī)制、在銀河系內(nèi)和河外空間的傳播是主要的研究目標(biāo)。不僅如此，我們還試圖通過(guò)這些研究去探索其他一些仍然未知答案的科學(xué)問(wèn)題，例如宇宙線是否對(duì)地球上生命演化產(chǎn)生影響、或者諸如云的生成、天氣條件、甚至對(duì)氣候的影響，進(jìn)而對(duì)類(lèi)似于航空機(jī)組人員以及高頻度乘坐長(zhǎng)途航班的旅客如何受到宇宙線輻照的影響等的研究。

　　質(zhì)子占到90%的宇宙線份額，氦核大約10%，其他一直到鐵核的各種原子核只占到1%，其他的帶電粒子還包含非常少量的正、負(fù)電子和反質(zhì)子。大約100太電子伏特（1014 eV）以下的宇宙線能夠直接用加載在探空氣球、衛(wèi)星或者國(guó)際空間站（ISS）上的探測(cè)器進(jìn)行觀測(cè)研究。這些探測(cè)器只有大約一平方米左右的較小靈敏面積，而更高能量的宇宙線數(shù)量隨能量迅速下降，就必須用地基的探測(cè)裝置開(kāi)展研究，高能的宇宙線（或者伽馬射線）粒子與大氣層中的原子會(huì)發(fā)生級(jí)聯(lián)相互作用，從而產(chǎn)生出巨大數(shù)量的次級(jí)粒子，即正、負(fù)電子、繆子、強(qiáng)子、伽馬光子和中微子，形成一次“粒子陣雨”降落地面，學(xué)名叫“空氣簇射”。除了不可見(jiàn)的中微子，所有這些次級(jí)粒子都能夠被散布在地面上的粒子探測(cè)器所探測(cè)到。不僅是次級(jí)粒子本身，它們?cè)诳諝庵械募?jí)聯(lián)過(guò)程發(fā)展中產(chǎn)生的紫外和可見(jiàn)光——切倫科夫輻射——也可以被探測(cè)到。

　　宇宙線粒子的能譜、成分和它們到達(dá)方向的不均勻性是理解其起源、加速和傳播的關(guān)鍵參數(shù)。 通過(guò)探測(cè)簇射的各種組份粒子，我們可以得到能譜和成分，我們也能夠得到關(guān)于其源頭的一定信息。然而，由于宇宙線粒子帶電，在其穿越宇宙空間旅途中就被銀河系內(nèi)的磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)，從而攪勻了他們到達(dá)地球時(shí)的運(yùn)動(dòng)方向，也就是說(shuō)，用它們到達(dá)地球的方向，不可能去尋找到它們自己出生何地。

　　高能伽馬光子是產(chǎn)生于宇宙線粒子與其源頭附近的物質(zhì)或輻射場(chǎng)的強(qiáng)烈相互作用，它們可以被用來(lái)作為一個(gè)探針，因?yàn)樗鼈兪菄?yán)格沿著直線傳播，不受到磁場(chǎng)的干擾，而反向回溯到其源頭方向，即宇宙加速器的方向。這就不像帶電的宇宙線粒子了。“多信使”的探索方法，即光子與帶電粒子的組合研究，向我們展示了破解宇宙線起源這一世紀(jì)之謎的愿景。

　　要想深入地開(kāi)展這個(gè)唯像的研究，就必須發(fā)展大型的、多分量探測(cè)的宇宙線觀測(cè)站，能實(shí)現(xiàn)高分辨率、高靈敏度的宇宙線和伽馬射線測(cè)量。LHAASO正是這樣一個(gè)由混合型的探測(cè)陣列構(gòu)成的全新一代觀測(cè)站，她將對(duì)破解“宇宙線之謎”做出十分重大的貢獻(xiàn)。

　　LHAASO已經(jīng)具備并且還將繼續(xù)拓寬：

　　1） 正統(tǒng)的探測(cè)器及其陣列布局：密集的閃爍探測(cè)器陣列用于測(cè)量次級(jí)電子并且與之重疊布置了專(zhuān)門(mén)用于繆子測(cè)量的地面下水切倫科夫探測(cè)器陣列，陣列中央還布置了向更低能量延伸的大水池探測(cè)器，還有寬視場(chǎng)切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列用于簇射的縱向發(fā)展進(jìn)行取樣測(cè)量

　　2） 巨大的規(guī)模：陣列覆蓋1.3平方公里、40,000 平方米對(duì)繆子靈敏的探測(cè)面積、約80,000 平方米水池、以及18臺(tái)切倫科夫望遠(yuǎn)鏡

　　3） 先進(jìn)的探測(cè)技術(shù)：諸如光纖網(wǎng)絡(luò)、精密探頭（硅光電管）、“小白兔”時(shí)間同步系統(tǒng)等

　　這樣一個(gè)“暴力”與最前沿的先進(jìn)技術(shù)的結(jié)合，造就了LHAASO超群的特性，達(dá)到了前所未有的探測(cè)靈敏度。

　　除此之外，LHAASO最具特色的優(yōu)勢(shì)當(dāng)然是其海拔高度（4400米）。這個(gè)高度上，1015電子伏特的簇射發(fā)展到漲落最小的階段，并且各種原子核的宇宙線在空氣中引發(fā)的簇射“大?。ㄗg者：產(chǎn)生的次級(jí)粒子總數(shù)）”幾乎相同，由此提供了一個(gè)不受其成分影響的測(cè)量宇宙線能量的理想手段。正是由于LHAASO恰當(dāng)?shù)卦O(shè)置在這樣一個(gè)高度上，使得LHAASO能夠開(kāi)展覆蓋從1012到1017電子伏特甚至更大范圍的宇宙線的精細(xì)研究，從而能夠與衛(wèi)星探測(cè)器對(duì)宇宙線所做的直接探測(cè)去相互校驗(yàn)。

　　探尋宇宙線的起源，是通過(guò)測(cè)量高能伽馬光子并沿其到達(dá)方向回溯到這些源頭。然而，這些伽馬射線的數(shù)量卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于通常的宇宙線粒子數(shù)目，LHAASO的探測(cè)裝置卻有著難以置信的光子鑒別能力，能將它們從天量的宇宙線粒子中挑出來(lái)。個(gè)中原理是宇宙線粒子引起的簇射次級(jí)粒子中含有大量穿透性粒子，即繆子，產(chǎn)于宇宙線粒子與空氣原子核之間的核反應(yīng)。與之相反，伽馬光子引起的簇射里的電磁過(guò)程只會(huì)產(chǎn)生數(shù)量極少的繆子。LHAASO巨大的繆子探測(cè)靈敏面積能夠精確地測(cè)量出繆子在簇射中的含量，從而使之具有了挑選伽馬光子很高的效率：通常的宇宙線可以被剔除到其原有數(shù)量的十萬(wàn)分之一。

　　正如這篇送往《自然》雜志發(fā)表的文中所述，作為一個(gè)伽馬天文觀測(cè)裝置，LHAASO達(dá)到了前所未有的精確度和靈敏度水平。LHAASO首次在不止一個(gè)候選天體上探測(cè)到PeV光子（1PeV=1015電子伏特）直接見(jiàn)證了包括將宇宙線粒子加速到幾個(gè)PeV的極端現(xiàn)象（如超新星爆炸產(chǎn)生的遺跡、雙星系統(tǒng)、脈沖星風(fēng)云、大質(zhì)量恒星星團(tuán)等）。正式啟動(dòng)了對(duì)“拍伏加速器”（Pevatron）的全天空搜捕！

　　盡管發(fā)現(xiàn)了拍伏加速器，區(qū)分它們是電子加速器還是宇宙線加速器也絕非易事。大多數(shù)情況下，事實(shí)上很難于說(shuō)清楚：我們探測(cè)到的伽馬射線，是產(chǎn)于高能量的質(zhì)子或原子核與加速器周邊的物質(zhì)劇烈的碰撞，還是高能量的電子輻射出來(lái)的。由于有中微子伴生于前者的碰撞反應(yīng)，如能夠探測(cè)到這些中微子，當(dāng)然就有解了。非常遺憾，地面探測(cè)器對(duì)中微子的探測(cè)無(wú)能為力。LHAASO就只能另辟蹊徑，通過(guò)精確測(cè)量伽馬光子的能譜、細(xì)致描繪源區(qū)發(fā)光點(diǎn)的圖像，由其特征來(lái)判斷被測(cè)的天體到底是電子加速器還是真正的宇宙線加速器。

　　LHAASO最引人入勝的特性之一是其寬廣的視場(chǎng)（立體張角約2球面度），使之具有連續(xù)觀測(cè)整個(gè)掠過(guò)頭頂?shù)奶炜?，監(jiān)測(cè)在赤道面上75°、下15°之間的廣闊天區(qū)（相應(yīng)的銀河系坐標(biāo)中經(jīng)度從15°到231°的范圍）內(nèi)銀河系內(nèi)、外發(fā)生的各種伽馬波段耀發(fā)活動(dòng)，特別是河外的伽馬源或者是巨大的爆發(fā)現(xiàn)象如伽馬射線暴，同時(shí)還可以測(cè)量河內(nèi)、河外的彌散伽馬射線。這是一個(gè)可以預(yù)期的巨大收獲，僅僅需要幾年的全天掃描觀測(cè)而已。

　　對(duì)于超過(guò)PeV的宇宙線LHAASO還能做什么？宇宙線能譜在3 PeV附近有一個(gè)著名的彎折，就是俗稱(chēng)的“膝”。超過(guò)膝，能譜變得更加陡峭，很可能是能量更高的粒子會(huì)更多地從銀河系逃逸出去，還有河內(nèi)加速器的加速能力上限兩個(gè)機(jī)制的組合效應(yīng)。廣泛的共識(shí)是，標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)散激波加速過(guò)程能夠提供的宇宙線能量極限就在PeV的量級(jí)，放大效應(yīng)機(jī)制和傳播過(guò)程中的再加速是解釋直到100 PeV的宇宙線存在的機(jī)制。河內(nèi)的源頭也就在這些能量附近就枯竭了，而出現(xiàn)從河內(nèi)的源頭向銀河系外的宇宙線源的轉(zhuǎn)換。相應(yīng)的（譯者：彌散）伽馬射線非常稀少而且還并不能回溯到任何特定的源頭。因此，精確地測(cè)量宇宙線本身的能譜和元素成分就成為探索其起源的必要手段。傳統(tǒng)的辦法是用測(cè)量的數(shù)據(jù)去與基于不同宇宙線成分組合模型模擬的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，從中獲得些部分（通常是含混不清的）解答，但顯然都失于給出確實(shí)、可靠的答案。的確，許多底層的關(guān)于源、加速和傳播的模型，都給出比較接近的能譜，卻存在關(guān)于成分很大的認(rèn)知差異。超過(guò)“膝”的能量，還是一個(gè)尚未很好地探索過(guò)的區(qū)域，到目前為止也就是在觀測(cè)水平獲得了“所有種類(lèi)粒子”的一個(gè)總的能譜，看起來(lái)也許有些許特性。

　　測(cè)量單元素成分或退一步到5種成分組合（氫、氦、碳氮氧、鎂鋁硅、鐵）一直到100 PeV甚至于更高的獨(dú)立能譜是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的課題。LHAASO能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)嗎？要做到這一點(diǎn)，必須實(shí)現(xiàn)對(duì)逐個(gè)簇射事例區(qū)分其進(jìn)入大氣頂端原初粒子的種類(lèi)。LHAASO的多種探測(cè)器復(fù)合觀測(cè)，提供了簇射的多分量測(cè)量信息，可以重建每個(gè)簇射中次級(jí)粒子在橫向和縱向的詳細(xì)的分布。模擬研究顯示，使用多個(gè)實(shí)驗(yàn)上測(cè)到的成份敏感參數(shù)來(lái)挑選單一的成份分量是可能實(shí)現(xiàn)的，這是迄今為止沒(méi)有任何實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)過(guò)的目標(biāo)。

　　按其設(shè)計(jì)，LHAASO將會(huì)持續(xù)、穩(wěn)定地運(yùn)行許多年，積累海量的宇宙線數(shù)據(jù)，據(jù)此可以深入研究許多宇宙線物理中的未解課題。LHAASO將實(shí)施“全天區(qū)”、“全時(shí)段”、寬廣能量范圍（從1011 到 1015 電子伏特）伽馬射線的監(jiān)測(cè)，探尋宇宙線的源頭、瞬態(tài)現(xiàn)象、以及彌散的伽馬射線。LHAASO還展現(xiàn)出測(cè)量單一成分的宇宙線能譜和到達(dá)方向不均勻性分布令人興奮的前景，覆蓋包含了“膝”以及從河內(nèi)到河外過(guò)渡區(qū)廣闊能量范圍。

　　由此，我們可以預(yù)測(cè)：存在很大的機(jī)會(huì)解開(kāi)宇宙線之謎，并照亮“非熱宇宙”的壯麗景觀。

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