馬帥康 張子豪 高 啟,*

（1、西藏大學(xué)理學(xué)院，西藏 拉薩850000 2、宇宙線教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西藏 拉薩 850000）

1 概述

宇宙線自1912 年物理學(xué)家赫斯首次發(fā)現(xiàn)至今已超百年，其起源、加速和傳播仍是未解之謎。目前普遍認(rèn)為膝區(qū)以下的宇宙線起源于銀河系，但沒有發(fā)現(xiàn)直接證據(jù)。甚高能及以上γ 射線不受到星際磁場(chǎng)影響，能夠保留源方向的信息，因此通過甚高能及以上γ 射線尋找宇宙線加速證據(jù)是探尋宇宙線起源之謎的極佳手段。特別是能量高于0.1PeV的超高能(Ultrahighenergy，UHE) γ 射線，被認(rèn)為是尋找宇宙線起源的最直接手段[3]。

由于宇宙原初γ 射線能譜呈指數(shù)衰減且流強(qiáng)遠(yuǎn)低于宇宙線帶電粒子，0.1PeV 以上能區(qū)UHEγ 射線探測(cè)極其困難[2]。直到2019 年，中日合作ASγ 實(shí)驗(yàn)才宣布首次探測(cè)到來自蟹狀星云的超0.1PeV 高能γ 輻射，將UHE γ 射線觀測(cè)推進(jìn)到亞PeV 能區(qū)[3]。隨后ASγ、HAWC 相繼觀測(cè) 多 個(gè)天 體源超100TeVγ 輻射，最高能量達(dá)0.957PeV[5]。這些觀測(cè)結(jié)果初步表明PeV 宇宙線加速器在銀河系內(nèi)存在，但其觀測(cè)到的UHE γ 射線能量仍沒有突破PeV。2021 年5 月，LHAASO 實(shí)驗(yàn)組首次觀測(cè)到銀河系1.4PeVUHE γ 射線輻射，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了12 個(gè)能量延伸到1PeV 附近的穩(wěn)定γ 射線源，相關(guān)研究結(jié)果于2021 年5月17 日發(fā)表在《Nature》期刊[1]。這一結(jié)果首次將HUE γ 射線推進(jìn)到PeV 能區(qū)，打開了探索極端宇宙奧秘的新窗口，開啟了“超高能γ天文學(xué)”的新時(shí)代。

筆者以此次UHE γ 射線觀測(cè)重大進(jìn)展為契機(jī)，向廣大讀者介紹LHAASO 實(shí)驗(yàn)裝置及其在甚高能以上γ天文領(lǐng)域主要探測(cè)目標(biāo)、探測(cè)原理，并對(duì)本次UHE γ 射線觀測(cè)結(jié)果的重要突破及意義做簡(jiǎn)單解讀。

2 LHAASO 實(shí)驗(yàn)

LHAASO 是我國十三五規(guī)劃建設(shè)的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，也是我國《國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中長期規(guī)劃（2012-2030 年）》16 個(gè)優(yōu)先安排的重大項(xiàng)目之一[15]。主要目標(biāo)瞄準(zhǔn)宇宙線觀測(cè)研究前沿課題，探索高能宇宙線的起源之謎，并展開相關(guān)的天體演化和暗物質(zhì)分析等基礎(chǔ)科學(xué)研究[12]。

圖2 LHAAASO 局部天圖@＞100TeV 源自文獻(xiàn)[1]

LHAASO 實(shí)驗(yàn)由KM2A、WCDA 和WFCTA 三個(gè)陣列組成，其探測(cè)原理和探測(cè)器布局如圖1 所示[14]。KM2A 陣列由5195 個(gè)電磁探測(cè)器ED 和1171 個(gè)μ 子探測(cè)器MD 組成[14]，有效面積42,000m2，覆蓋能區(qū)0.1PeV-10PeV，主要探測(cè)對(duì)象為河內(nèi)γ 源。WCDA 分成3 個(gè)水池，包括3120 個(gè)單元探測(cè)器，有效面積78,000 m2，覆蓋能區(qū)0.1PeV-10PeV，主要巡天觀測(cè)E＞0.1PeV的γ 射線天空。WFCTA 陣列由18 臺(tái)廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡組成，單元望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)16°×16°[11]。WFCTA 實(shí)驗(yàn)探測(cè)能區(qū)范圍為0.1PeV-100PeV，主要目標(biāo)是對(duì)原初宇宙線成分以及能譜的測(cè)量，同時(shí)完成從空間直接測(cè)量低能宇宙線到地面間接測(cè)量極高能宇宙線的能標(biāo)傳遞工作[10]。LHAASO 實(shí)驗(yàn)充分發(fā)揮高海拔優(yōu)勢(shì)，通過4 種探測(cè)器陣列的復(fù)合觀測(cè)，可以充分發(fā)揮多波段，多信使觀測(cè)優(yōu)勢(shì)，具有獨(dú)特的自我交叉標(biāo)定能力[13]。建成后可以實(shí)現(xiàn)對(duì)宇宙線EAS的立體性觀測(cè)，大幅度提高能量測(cè)量的精度和成份鑒別能力，在甚高能及以上能區(qū)γ 射線巡天普查靈敏度、宇宙線能譜覆蓋范圍、宇宙線成分識(shí)別的精確度方面達(dá)到國際領(lǐng)先水平[10]。

圖1 LHAASO 探測(cè)原理及探測(cè)器布局，源自文獻(xiàn)[1，10]

3 LHAASO 實(shí)驗(yàn)UHE γ 射線觀測(cè)結(jié)果及意義

LHAASO 實(shí)驗(yàn)采用邊建設(shè)邊觀測(cè)模式（可以提前進(jìn)入觀測(cè)狀態(tài)，提早產(chǎn)生科學(xué)成果），LHAASO 合作組科學(xué)家通過對(duì)建成的1/2 陣列KM2A 探測(cè)器2020 年內(nèi)11 個(gè)月的觀測(cè)數(shù)據(jù)[1]分析發(fā)現(xiàn)：

3.1 來自天鵝座內(nèi)恒星形成區(qū)附近和蟹狀星云超過1PeV UHE γ 光子輻射，最高能量超過1.4PeV。

3.2 發(fā)現(xiàn)12 個(gè)不同類型的穩(wěn)定UHE γ 輻射源，有效γ事例高于背景事例7 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差，源位置測(cè)量精度≤0.30。其中最亮的三個(gè)輻射源γ 能譜延伸到數(shù)百TeV 且沒有明顯截?cái)噗E象。

此次重大發(fā)現(xiàn)在探尋宇宙線起源的研究進(jìn)程中具有里程碑意義，其在于：

3.2.1 本次LHAASO重要發(fā)現(xiàn)，是在宇宙線研究歷史上首次觀測(cè)到能量超PeV的γ 輻射，直接將對(duì)γ 射線探測(cè)由甚高能升級(jí)到超高能段，開啟了PeV 超高能γ天文學(xué)的大門，為下一步尋找宇宙線起源、探索極端宇宙打開了一個(gè)嶄新的窗口[3]。

3.2.2 按照現(xiàn)有理論，銀河系宇宙線加速器能量存在上限，其產(chǎn)生γ 光子在0.1PeV 左右存在截?cái)?。此次LHAASO 觀測(cè)到的12 個(gè)不同類型UHE γ 源，其輻射能譜均延續(xù)到幾百TeV能量范圍。這一觀測(cè)結(jié)果一方面表明產(chǎn)生這些γ 射線的母粒子的能量將超過1PeV，打破了舊的宇宙線加速模型極限；另一方面也表明，宇宙中存普遍PeV 宇宙線加速源，向進(jìn)一步揭示宇宙線起源之謎邁出了至關(guān)重要的一步。

3.2.3 天鵝座區(qū)域是位于銀河系北部最亮的部分，其內(nèi)部擁有多個(gè)大質(zhì)量星團(tuán)，恒星演變活動(dòng)劇烈，具有的激波環(huán)境異常復(fù)雜，是產(chǎn)生高能宇宙線的理想場(chǎng)所。隨著天鵝座區(qū)域PeVγ 射線的發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域?qū)?huì)成為尋找UHE γ 射線源的“寶藏”突破口，為多波段、多信使天文觀測(cè)設(shè)備所關(guān)注，有望成為解開“世紀(jì)之謎”的突破口。而蟹狀星云被稱為“標(biāo)準(zhǔn)燭光”，作為目前唯一具有清晰輻射機(jī)制的標(biāo)準(zhǔn)γ 源，對(duì)其跨越二十多個(gè)量級(jí)的精確光譜測(cè)量表明其具有明顯的電子加速特征。LHAASO 觀測(cè)到蟹狀星云PeVUHE γ 射線對(duì)現(xiàn)有電子加速理論形成新的重大挑戰(zhàn)。

結(jié)束語

LHAASO 1/2 陣列KM2A 探測(cè)器此次發(fā)現(xiàn)證明銀河系內(nèi)普遍存在PeV 宇宙線加速源，對(duì)現(xiàn)有宇宙線起源加速理論提出重大挑戰(zhàn)，開啟“超高能γ天文學(xué)”時(shí)代。籍由此發(fā)現(xiàn)，LHAASO 實(shí)驗(yàn)也成為唯一可以提供高統(tǒng)計(jì)性測(cè)量數(shù)據(jù)的UHEγ天文試驗(yàn)。建成后，LHASSO 將實(shí)現(xiàn)γ 射線高能端探測(cè)靈敏度最高、TeV能段巡天掃描搜索能力最強(qiáng)、覆蓋宇宙線能譜范圍最廣三個(gè)世界之最。在不久的將來，LHAASO 將成為繼Auger、IceCube、CTA之后第四個(gè)宇宙線研究中心，長期引領(lǐng)PeV 能段的粒子天體物理的研究。結(jié)合HERD、DAMPE，Ali-CPT 等空地探索設(shè)施，LHAASO 將在破解宇宙線起源之謎、探索暗物質(zhì)本質(zhì)等國際基礎(chǔ)研究前沿領(lǐng)域?qū)懴轮袊藵饽夭实囊还P，貢獻(xiàn)重要的“中國力量”。