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編者按：近日，中日合作西藏?ASγ實(shí)驗(yàn)觀測到迄今為止最高能量的彌散伽馬射線輻射，最高能量達(dá)?957 TeV, 接近?1PeV (1000萬億電子伏特)；這些超高能伽馬射線的方向并沒有指向已知的低能段伽馬射線源，而是彌漫分布在銀盤（銀河系在天空的投影）上這是國際上首次發(fā)現(xiàn)拍電子伏特宇宙線加速器（“PeVatron”）在銀河系中廣泛存在的證據(jù)。該結(jié)果被美國物理學(xué)會(huì)（APS）評論為研究高能宇宙線起源“世紀(jì)之謎”的里程碑。光明網(wǎng)記者就此采訪了中科院高能物理所研究員黃晶，對什么是宇宙線？研究它的意義是什么？進(jìn)行科普解讀。??

光明網(wǎng)：什么是宇宙線？

黃晶：宇宙線亦稱為宇宙射線，是來自外太空的帶電高能次原子粒子，約有90%左右為質(zhì)子，其他是電子、光子這些粒子。

光明網(wǎng)：為什么宇宙線蹤跡難尋，不好定位來源？

黃晶：我們知道銀河系中到處都存在磁場，而宇宙線是帶電粒子，宇宙線運(yùn)動(dòng)傳播時(shí)經(jīng)磁場偏轉(zhuǎn)會(huì)改變原有的運(yùn)動(dòng)方向，到達(dá)地球時(shí)的方向已經(jīng)失去原有的方向信息，這使得找尋加速源困難重重，即使是百余年后的今天，仍然是一個(gè)謎。

光明網(wǎng)：現(xiàn)在科學(xué)家主要通過哪些可靠指標(biāo)或者方法來追尋宇宙線的源頭？

黃晶：目前對于銀河系宇宙線源頭的追尋主要是通過伽馬射線及中微子的觀測來開展。

光明網(wǎng)：研究宇宙線有哪些主要意義？

黃晶：1912 發(fā)現(xiàn)了宇宙線，通過宇宙線觀測研究進(jìn)而發(fā)現(xiàn)了多種粒子，發(fā)展加速器科學(xué)，明白了核反應(yīng)，核裂變，聚變等。由此可見，顯然像宇宙線這樣的基礎(chǔ)前沿物理研究對絕大多數(shù)人來說可能是空中樓閣，距離我們實(shí)際生活很遠(yuǎn)，研究這些沒有用。 但實(shí)際上它是人類前進(jìn)的一位領(lǐng)航員，能夠推動(dòng)人類的文明進(jìn)程?？梢哉f基礎(chǔ)前沿物理研究是人類發(fā)展的燈塔，一直在指示我們前進(jìn)的正確方向。

光明網(wǎng)：我國西藏羊八井ASγ實(shí)驗(yàn)是什么時(shí)候建立的？

黃晶：西藏羊八井ASγ實(shí)驗(yàn)位于西藏念青唐古拉山腳下,海拔4300米，始建于1989年。經(jīng)過30多年的不斷原創(chuàng)性技術(shù)開發(fā)，我們?nèi)〉昧艘幌盗袊H領(lǐng)先的研究成果，目前已成為國際上享有盛譽(yù)的綜合型宇宙線陣列觀測實(shí)驗(yàn)。

光明網(wǎng)：西藏羊八井ASγ實(shí)驗(yàn)在宇宙線研究方面有什么優(yōu)勢？

黃晶：首先是探測技術(shù)的創(chuàng)新優(yōu)勢。ASγ實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新性地開發(fā)了地下水切倫科夫繆子探測器技術(shù)，它是國際上第一個(gè)能夠做到準(zhǔn)確測量高能MUON數(shù)目，利用MUON數(shù)目這個(gè)參量鑒別宇宙射線和伽馬射線，然后排除宇宙射線背景，挑出純的伽馬射線。這種創(chuàng)新型的繆子探測技術(shù)保證了我們實(shí)驗(yàn)的國際領(lǐng)先地位，同時(shí)ASγ研究內(nèi)容也是其他實(shí)驗(yàn)所未觸及的領(lǐng)域，這樣也保證了我們相應(yīng)研究成果的國際領(lǐng)先性。其次，西藏地區(qū)的高海拔地理優(yōu)勢也是宇宙線研究非常重要的基礎(chǔ)。

光明網(wǎng)：這次發(fā)布的兩項(xiàng)成果，與之前發(fā)現(xiàn)的γ射線什么不同？為什么說是朝著解開高能宇宙線起源的世紀(jì)之謎邁出的重要一步？

黃晶：2019 年7 月發(fā)現(xiàn)的γ射線，最高能量達(dá)450TeV，來自蟹狀星云方向，其起源被確認(rèn)為脈沖星對電子加速，進(jìn)而與周圍宇宙微波背景輻射光子發(fā)生“逆康普頓散射”的結(jié)果。所以，蟹狀星云被認(rèn)為是典型的“電子源”（輕子源）。而本次觀測到的γ射線，則被確認(rèn)是起源于能量高達(dá)PeV的“宇宙線源”，從而首次確認(rèn)了銀河系中確實(shí)存在PeV宇宙線加速器。所以，它是朝著解開高能宇宙線起源的世紀(jì)之謎邁出的重要一步。

光明網(wǎng)：宇宙線已經(jīng)發(fā)現(xiàn)100 多年，還有哪些未解之謎？

黃晶：宇宙線已經(jīng)發(fā)現(xiàn)100 多年，未解之謎還有很多，比如最高能量的宇宙線到底是起源哪些天體現(xiàn)象，這些天體現(xiàn)象又是怎樣將宇宙線加速到如此之高的能量，及加速過程機(jī)制到底是怎樣的等等，這些研究是對探索宇宙、人類文明進(jìn)步過程起到促進(jìn)作用。

光明網(wǎng)：什么是PeVatron？

黃晶：PeVatron是能將宇宙線加速到PeV（10的15次方電子伏特）能量的天體源被稱為拍電子伏特宇宙線加速器（簡稱“PeVatron”）。

光明網(wǎng)：判斷一個(gè)天體源是否是宇宙線PeVatron，有哪些依據(jù)？

黃晶：判斷一個(gè)天體源是否是宇宙線“PeVatron”主要有三條判據(jù):

1)該天體源發(fā)出的伽馬射線能量超過100 TeV；

2)伽馬射線發(fā)射區(qū)與分子云的位置一致；

3)能夠排除超高能伽馬射線產(chǎn)生于脈沖星及其風(fēng)云高能電子的可能性, 即排除“輕子起源”。

此前,世界上還沒有任何一個(gè)實(shí)驗(yàn)組找到同時(shí)滿足以上三個(gè)條件的天體。2021年3月2日，我們ASγ實(shí)驗(yàn)組發(fā)現(xiàn)的SNR G106.3+2.7是銀河系中目前最強(qiáng)的一個(gè)候選“拍電子伏特宇宙線加速器”(“PeVatron”)。它的發(fā)現(xiàn)為解開超高能宇宙射線的起源之謎打開了重要窗口。

出品：光明網(wǎng)科普事業(yè)部

監(jiān)制：戰(zhàn)　釗

策劃：宋雅娟

采訪：肖春芳、張夢凡