在上個世紀(jì)眾多令人驚嘆并且難以忘懷科學(xué)發(fā)現(xiàn)中，有一個就是探測到來自外太空的輻射，即現(xiàn)在稱之為“宇宙線”的高能基本粒子流。這種輻射來自外太空的第一個證據(jù)是由赫斯（V. Hess）通過七次不同高度的熱氣球飛行實驗中測量得到的（1912）。其中最后一次的飛行高度達(dá)到5350米，從而證實了這種具有強(qiáng)大穿透力的輻射的確來自大氣層的上方而不是來自地球土壤的輻射。通過在日食情況下實施這種飛行實驗，他還進(jìn)一步排除了這種輻射來自太陽的可能性。盡管如此，太陽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風(fēng)。很幸運，地球強(qiáng)大的磁場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風(fēng)徹底吹跑。

　　當(dāng)更高能量的宇宙線粒子突破了磁場的屏蔽時，大氣層進(jìn)一步保護(hù)了地球。這些來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個量級的能量范圍上，形成一個數(shù)量隨能量迅速遞減的“譜”。一個整體的圖像是，我們的星球作為銀河系中的一個普通的天體在環(huán)繞銀心的運動中從各個方向被帶電（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，而地磁場和大氣提供了一副有效的安全屏障。從這個意義上講，撇開科學(xué)探索的興趣愛好，研究這個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，因為它們是傳遞宇宙深處高能極端現(xiàn)象的“信使”，展現(xiàn)給人類的是相對論性的的宇宙，也就是熟知的“非熱宇宙”，其中充滿了劇烈的天體活動，動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)問題，然而至今沒有確切的答案。顯而易見，這些宇宙加速器也就成為了檢驗極高能量條件下物理規(guī)律是否還正確、有效的天然實驗室。

　　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，我們還試圖通過這些研究去探索其他一些仍然未知答案的科學(xué)問題，例如宇宙線是否對地球上生命演化產(chǎn)生影響、或者諸如云的生成、天氣條件、甚至對氣候的影響，進(jìn)而對類似于航空機(jī)組人員以及高頻度乘坐長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)星或者國際空間站（ISS）上的探測器進(jìn)行觀測研究。這些探測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裝置開展研究，高能的宇宙線（或者伽馬射線）粒子與大氣層中的原子會發(fā)生級聯(lián)相互作用，從而產(chǎn)生出巨大數(shù)量的次級粒子，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”。除了不可見的中微子，所有這些次級粒子都能夠被散布在地面上的粒子探測器所探測到。不僅是次級粒子本身，它們在空氣中的級聯(lián)過程發(fā)展中產(chǎn)生的紫外和可見光——切倫科夫輻射——也可以被探測到。

　　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)。 通過探測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)的磁場偏轉(zhuǎn)，從而攪勻了他們到達(dá)地球時的運動方向，也就是說，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)或輻射場的強(qiáng)烈相互作用，它們可以被用來作為一個探針，因為它們是嚴(yán)格沿著直線傳播，不受到磁場的干擾，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?！岸嘈攀埂钡奶剿鞣椒?，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。

　　要想深入地開展這個唯像的研究，就必須發(fā)展大型的、多分量探測的宇宙線觀測站，能實現(xiàn)高分辨率、高靈敏度的宇宙線和伽馬射線測量。LHAASO正是這樣一個由混合型的探測陣列構(gòu)成的全新一代觀測站，她將對破解“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)的探測器及其陣列布局：密集的閃爍探測器陣列用于測量次級電子并且與之重疊布置了專門用于繆子測量的地面下水切倫科夫探測器陣列，陣列中央還布置了向更低能量延伸的大水池探測器，還有寬視場切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列用于簇射的縱向發(fā)展進(jìn)行取樣測量

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

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

　　這樣一個“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靈敏度。

　　除此之外，LHAASO最具特色的優(yōu)勢當(dāng)然是其海拔高度（4400米）。這個高度上，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)生的次級粒子總數(shù)）”幾乎相同，由此提供了一個不受其成分影響的測量宇宙線能量的理想手段。正是由于LHAASO恰當(dāng)?shù)卦O(shè)置在這樣一個高度上，使得LHAASO能夠開展覆蓋從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)星探測器對宇宙線所做的直接探測去相互校驗。

　　探尋宇宙線的起源，是通過測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。個中原理是宇宙線粒子引起的簇射次級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程只會產(chǎn)生數(shù)量極少的繆子。LHAASO巨大的繆子探測靈敏面積能夠精確地測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，作為一個伽馬天文觀測裝置，LHAASO達(dá)到了前所未有的精確度和靈敏度水平。LHAASO首次在不止一個候選天體上探測到PeV光子（1PeV=1015電子伏特）直接見證了包括將宇宙線粒子加速到幾個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）。正式啟動了對“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，事實上很難于說清楚：我們探測到的伽馬射線，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的。由于有中微子伴生于前者的碰撞反應(yīng)，如能夠探測到這些中微子，當(dāng)然就有解了。非常遺憾，地面探測器對中微子的探測無能為力。LHAASO就只能另辟蹊徑，通過精確測量伽馬光子的能譜、細(xì)致描繪源區(qū)發(fā)光點的圖像，由其特征來判斷被測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（立體張角約2球面度），使之具有連續(xù)觀測整個掠過頭頂?shù)奶炜?，監(jiān)測在赤道面上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，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，同時還可以測量河內(nèi)、河外的彌散伽馬射線。這是一個可以預(yù)期的巨大收獲，僅僅需要幾年的全天掃描觀測而已。

　　對于超過PeV的宇宙線LHAASO還能做什么？宇宙線能譜在3 PeV附近有一個著名的彎折，就是俗稱的“膝”。超過膝，能譜變得更加陡峭，很可能是能量更高的粒子會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機(jī)制的組合效應(yīng)。廣泛的共識是，標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)散激波加速過程能夠提供的宇宙線能量極限就在PeV的量級，放大效應(yīng)機(jī)制和傳播過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，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、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“膝”的能量，還是一個尚未很好地探索過的區(qū)域，到目前為止也就是在觀測水平獲得了“所有種類粒子”的一個總的能譜，看起來也許有些許特性。

　　測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甚至于更高的獨立能譜是一個非常具有挑戰(zhàn)性的課題。LHAASO能實現(xiàn)這一目標(biāo)嗎？要做到這一點，必須實現(xiàn)對逐個簇射事例區(qū)分其進(jìn)入大氣頂端原初粒子的種類。LHAASO的多種探測器復(fù)合觀測，提供了簇射的多分量測量信息，可以重建每個簇射中次級粒子在橫向和縱向的詳細(xì)的分布。模擬研究顯示，使用多個實驗上測到的成份敏感參數(shù)來挑選單一的成份分量是可能實現(xiàn)的，這是迄今為止沒有任何實驗實現(xiàn)過的目標(biāo)。

　　按其設(shè)計，LHAASO將會持續(xù)、穩(wěn)定地運行許多年，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將實施“全天區(qū)”、“全時段”、寬廣能量范圍（從1011 到 1015 電子伏特）伽馬射線的監(jiān)測，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)到河外過渡區(qū)廣闊能量范圍。

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

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