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 ， 但人类还不清楚高能宇宙线的主要来源 。 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？
5月17日 ， 中国科学院高能物理研究所与Springer Nature联合发布了重大发现——国家重大科技基础设施“高海拔宇宙线观测站（LHAASO）”在银河系内发现大量超高能宇宙加速器 ， 并记录到来自天鹅座内的最高1.4拍电子伏伽马光子（拍=千万亿） 。 专家表示 ， 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机制的传统认知 ， 开启“超高能伽马天文学”的时代 。
这些发现跟我们日常有什么关系？每时每刻造访地球的宇宙线对人体有害吗？采访人员近日专访了LHAASO项目首席科学家、中国科学院高能物理研究所研究员曹臻 。
□四川日报全媒体采访人员 徐莉莎
为何研究宇宙线？
●宇宙线携带着宇宙起源、天体演化、太阳活动及地球空间环境等重要科学信息 ， 研究宇宙线及其起源是人类探索宇宙的重要途径
●宇宙造了比人类造的高100倍的加速器 ， 这促使我们继续去探索宇宙线产生机制及加速原理 ， 对宇宙和人类未来做更深入的解读
●高能量的加速器 ， 目前还没直接进入日常生活 ， 但根据其原理建造的缩小版加速器已经变成医疗设备、工业探伤的重要手段
她
宇宙线
●昵称：“宇宙大事件”的信使
●籍贯：天鹅座
●诞生时间：不详 ， 也许几万年前 ， 也许几亿年前
●构成：90%是质子 ， 其次是氦核 ， 约占9% ， 剩下是其他各种元素的原子核、少量光子、电子、中微子以及反物质粒子
●谜团：作为来自外太空的唯一物质样品 ， 宇宙线携带着其产生地“源”天体及其经过空间的宇观环境 ， 乃至天体演化及宇宙早期的奥秘
一封来自太空的情书
我是高能粒子 ， 我从宇宙深处天鹅座而来 ， 奔向蓝色地球！
不只千万里 ， 奔行亿万年 ， 逐你而来 。
没有乌云遮挡 ， 天空清澈透亮；我知道 ， 你就在那里！
那是四川 ， 那是稻城 ， 那是海子山 ， 我一头扎向你的怀抱……
与你亲密相会 ， 与你浪漫相拥 。
这一拥 ， 如此甜蜜 ， 又意义非凡——
我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 。
一定程度上改变了人类对银河系的认知 ， 也为破解宇宙线起源这个“世纪之谜”迈出了重要一步 。
苍穹为证 ， 繁星为证 。 我来自哪里？我为何飞得这么快？我为何有如此高的能量？我在飞往地球的旅途中经历了什么……
这一切 ， 我慢慢告诉你……
他
高海拔宇宙线观测站
●昵称：因为从高处看 ， 占地1.36平方公里的高海拔宇宙线观测站就像一枚铜钱 ， 放置在群山之间 ， 科学家们称其为“孔方兄” 。
●籍贯：四川省稻城县海子山
●诞生时间：主体工程于2017年开始建设 ， 全部设施有望于今年6月完工 ， 实现全阵列科学观测
●构成：5195个电磁粒子探测器和1188个缪子探测器组成的1平方公里地面簇射阵列 ， 78000平方米水切伦科夫探测器、18台广角切伦科夫望远镜交错排布组成的复合阵列
●目标：探索高能宇宙线起源以及相关的宇宙演化和高能天体活动 ， 并寻找暗物质；广泛搜索宇宙中尤其是银河系内部的伽马射线源；测量更高能量的弥散宇宙线的成分与能谱 ， 揭示宇宙线加速和传播的规律 ， 探索新物理前沿
人类生活的环境被大气层保护得很好
采访人员：每时每刻光顾着地球 ， 宇宙线对人体有害吗？
曹臻：没有 。 因为超高能的光子非常少 。 像这次发现的“拍电子伏宇宙加速器（PeVatron）”周围产生的“超高能伽马光子”信号非常弱 ， 即便是被称为“伽马天文标准烛光”的蟹状星云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 ， 非常稀少 。
其次 ， 我们的地球有个保护膜 ， 就是大气层 。 大气层虽然感觉看起来很“稀薄” ， 但高能量粒子穿透它时会撞到里面的氮、氧等原子核 ， 产生簇射过程 ， 能量会被分解掉 。 经过分解后 ， 落在人身上的能量就不高了 。
我们人类就是在这个环境中演化而来的 ， 这些粒子也是我们的生存环境之一 。 人类生活的环境大多处于海拔1000米-2000米范围内 ， 被大气层保护得很好 ， 这也是我们能够在地球上世代繁衍的原因 。
改变了对银河系粒子加速机制的传统认知
采访人员：宇宙线的研究有什么意义？
曹臻：宇宙线携带着宇宙起源、天体演化、太阳活动及地球空间环境等重要科学信息 ， 研究宇宙线及其起源是人类探索宇宙的重要途径 。
人类对粒子物理的认知 ， 从宇宙线发现单个粒子的存在 ， 到现在对整个粒子家族和相互作用标准模型、整个物质结构有一个完整清晰的认识 ， 花了一个世纪的时间 ， 就是靠加速器实现的 。
人类建加速器的历史不长 ， 上世纪50年代才有大规模的粒子加速器建设起来 ， 最大的比我们桌子大不了多少 。 上世纪末有了重大突破 ， 达到27公里周长的规模 。
我们纠结的是 ， 现在建加速器的方法 ， 基本是上世纪50年代的方法 。 要建很大的加速器 ， 只能越做越大 。 新的现象可能带来新的理论 ， 我们可以基于此次发现探究其源头 ， 学习宇宙加速器的机制 。
采访人员：LHAASO的这些发现 ， 为什么说改变了我们对银河系粒子加速的传统认知？
曹臻：大家普遍认为 ， 银河系并不是非常活动剧烈的星系 ， 质量和活跃程度都很中庸 。 因此得出结论 ， 银河系的天体也不是很活跃 ， 不应该产生能量特别高的粒子 。 故此推断测量到的高能量粒子产生于其他星系 。 这是我们对传统银河系的认知 。 但是LHAASO观测到 ， 银河系里有一些天区 ， 比如天鹅座 ， 充满了非常多的大质量恒星 。 这些恒星质量大 ， 不稳定 ， 快速死亡 ， 快速产生 。 这样的恒星形成区产生高能量粒子 ， 就是稀松平常的事儿了 。
因此 ， 科学家们发现了能量超过拍电子伏的光子 ， 来自天鹅座内非常活跃的恒星形成区 。 证明银河系并不这么温和稳定 ， 只是我们所处的太阳系位置比较边缘 ， 比较稳定 。
高能量的加速器 ， 对生活会越来越重要
采访人员：和我们的生活有什么关系？
曹臻：高能量的加速器 ， 目前还没直接进入日常生活 ， 但根据其原理建造的缩小版加速器已经变成医疗设备、工业探伤的重要手段 。 比如在一些大型医院里 ， 加速器作为肿瘤治疗的基本手段 ， 已经进入我们的生活 。
我们在东莞建设的散裂中子源 ， 就是一个非常大的加速器 。 其产生的中子束流 ， 其中一个作用就是用于治疗肿瘤的研究 。 近日我们高能所开战略研讨会 ， 其中两个报告就谈到 ， 用中子源进行肿瘤治疗 ， 效果很好 。 高能量的加速器 ， 对生活会越来越重要 。
大科学装置的建设 ， 对相关产业带来提升和影响 。 我们使用的设备几乎都靠自主发明和制造 ， 对相关配套产业提出苛刻的要求 。 生产制造企业通过和我们的合作 ， 不断改进技术 ， 一些技术达到世界领先水平 。 比如我们使用的光电倍增管 ， 有半米长 ， 日本的售价卖到了6万至7万元一支 。 我们帮助南京的一家企业成功突破了这个设备 ， 还用到更好的技术 ， 日本的价格一下降到2万元左右 。
LHAASO产生的数据 ， 贡献是对全人类的
采访人员：我们的探测数据对国际科学界开放吗？
曹臻：我们的基础研究都是开放的 。 瑞士、法国、泰国、俄罗斯等国家的四五个单位也加入我们的研究课题 。
【伽马|天鹅座“情书”稻城收启 “超高能伽马天文学”时代来了】一方面 ， LHAASO产生的数据 ， 贡献是对全人类的 。 对宇宙线这样的前沿学科来说 ， 需要大家共同努力 。 另一方面 ， 我们在这个领域的研究能力并不是世界最领先的 ， 运用优质的观测数据和世界顶级科学家的合作 ， 能提升我们的队伍和研究能力 。
揭秘 历经5年 ， LHAASO选址稻城海子山
高海拔宇宙线观测站（LHAASO）为什么建在四川？
LHAASO项目首席科学家、中国科学院高能物理研究所研究员曹臻透露 ， 高海拔宇宙线观测站的选址历经5年时间 ， 项目在四川、西藏、青海、云南等多个省区进行了踏勘和考察 。 最后综合判断 ， 选择了四川甘孜州稻城县海拔4410米的海子山 。
原因有几个方面 。 首先 ， 海子山自然条件非常好 ， 海拔高 。 海拔不够 ， 想要探测的粒子可能被大气吸收掉 。 如果同样的探测器在1000多米高的地方 ， 就得不到今天的重大发现 。
其次 ， 建设200个足球场这么大的阵列 ， 必须地势平坦 。 探测器内部需要大量超纯净水 ， 需要良好的交通和通信 ， 这些都能满足 。
这个过程中 ， 离不开四川省各级地方政府的大力支持 。 基础设施上 ， 修了20多公里长的道路 ， 几公里长的水渠 ， 1188个探测器位置的场平 ， 49公里输电线路 ， 还有变电站……各级政府非常支持 ， 在各个方面都给予大量的协助 。
现在这是世界上最好的站点之一 。 亚丁机场交通便利 ， 给项目提供了巨大的方便 。 雅康高速的开通 ， 从理塘到亚丁的高水平国道 ， 给项目运输提供了便利 。 有欧洲科学家来后感叹 ， “想都想不到的建设速度！”
推荐阅读
- 快报|“他，是能成就导师的学生”
- 技术|“2”类医械有重大进展：神经介入产品井喷、基因测序弯道超车
- bug|这款小工具让你的Win10用上“Win11亚克力半透明菜单”
- 重大进展|“2”类医械有重大进展：神经介入产品井喷、基因测序弯道超车
- 历史|科普：詹姆斯·韦布空间望远镜——探索宇宙历史的“深空巨镜”
- 空间|（科技）科普：詹姆斯·韦布空间望远镜——探索宇宙历史的“深空巨镜”
- 精度|将建模速率提升10倍，消费级3D扫描仪Magic Swift在2021高交会大显“身手”
- 四平|智慧城市“奥斯卡”揭晓！祝贺柯桥客户荣获2021世界智慧城市治理大奖
- |南安市司法局“加减乘除” 打造最优法治营商环境
- ASUS|华硕预热ROG Flow Z13：称其是“全球最强悍的游戏平板”