光子是物質還是能量 科學家的解釋絕了

資料圖：2019年4月，從稻城飛往成都航班上，俯瞰正在建設中的LHAASO。中新社記者 孫自法攝

本文轉自中新網

中新網北京5月17日電 （記者 孫自法）中國科學家在銀河系內發現首批超高能宇宙加速器，並記錄到最高1.4拍（1拍=1千萬億）電子伏特（電子伏）伽馬光子，這是人類觀測到的最高能量光子，改變了人類對銀河系粒子加速的傳統認知。

憑藉首批“拍電子伏加速器”和迄今最高能量光子這兩大重磅科學新發現，中國科學院高能物理研究所（中科院高能所）建於四川稻城的國家重大科技基礎設施——高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）正式開啓“超高能伽馬天文學”時代，向着解決宇宙線起源這一科學難題邁出至關重要的一步。

高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）標識。中科院高能所 供圖

中科院高能所和施普林格·自然5月17日在北京聯合舉行新聞發佈會介紹說，高能與天文領域這兩項重大科學發現成果論文，由中科院高能所牽頭的LHAASO國際合作組完成，國際著名學術期刊《自然》（Nature）當天將在線發表。

LHAASO新發現具體內容是什麼？

LHAASO首席科學家、中科院高能所曹臻研究員介紹說，目前，LHAASO尚在建設之中，這次兩大科學發現新成果是基於LHAASO已經建成的1/2規模探測裝置，在2020年11個月的觀測結果。LHAASO國際合作組科學家們發現的能量超過拍電子伏的光子，來自銀河系天鵝座內非常活躍的恆星形成區。

水池注水後的LHAASO水切倫科夫探測器內部。中科院高能所 供圖

同時，科學家們還發現12個穩定伽馬射線源，能量一直延伸到1拍電子伏附近，這是位於LHAASO視場內銀河系內最明亮的一批伽馬射線源，測到的伽馬光子信號高於周圍背景7倍標準偏差以上，源的位置測量精度優於0.3度。

LHAASO水池內安裝到位的部分探測器陣列。中科院高能所 供圖

雖然此次觀測積累的數據還很有限，但所有能被LHAASO觀測到的源，它們都具有0.1拍電子伏以上的伽馬輻射，也叫“超高能伽馬輻射”。這表明銀河系內遍佈拍電子伏加速器，而人類在地球上建造的最大加速器（歐洲核子研究中心的大型強子對撞機）只能將粒子加速到0.01拍電子伏。

爲什麼選擇天鵝座？曹臻稱，天鵝座恆星形成區擁有多個具有大量大質量恆星的星團，大質量恆星的壽命只有百萬年的量級，因此星團內部充滿大量恆星生生死死的劇烈活動，具有複雜的強激波環境，是理想的宇宙線加速場所，被稱爲“粒子天體物理實驗室”。

雪後的LHAASO一處探測器陣列。中科院高能所 供圖

爲何說開啓“超高能伽馬天文學”的新時代？

曹臻指出，銀河系內的宇宙線加速器存在能量極限此前是個“常識”，從而預言的伽馬射線能譜在0.1拍電子伏以上有“截斷”現象，而LHAASO的新發現則完全突破這個“極限”，大多數源沒有截斷。

因此，這些發現正式開啓“超高能伽馬天文”觀測時代，表明年輕的大質量星團、超新星遺蹟、脈衝星風雲等是銀河系超高能宇宙線起源的最佳候選天體，將有助於破解宇宙線起源這個“世紀之謎”。

他表示，在LHAASO新發現基礎上，科學家們也需要重新認識銀河系高能粒子的產生、傳播機制，探索極端天體現象及其相關的物理過程並在極端條件下檢驗基本物理規律。

LHAASO此次科學成果發現在宇宙線起源的研究進程上具有里程碑意義，可概括爲三方面科學突破：

一是揭示銀河系內普遍存在能夠將粒子能量加速超過1PeV的宇宙加速器，突破了當前流行的理論模型。LHAASO發現銀河系內大量存在的PeV宇宙加速源，它們都是超高能宇宙線源的候選者。

二是隨着LHAASO的建成和持續不斷的數據積累，可以預見這一探索極端宇宙天體物理現象的最高能量天文學研究，將展現一個充滿新奇現象的未知“超高能宇宙”。

三是能量超過1PeV的伽馬射線光子首現天鵝座區域和蟹狀星雲，使得這個本來就備受關注的區域成爲超高能宇宙線源的最佳候選者，有望成爲解開宇宙線起源“世紀之謎”的突破口。

LHAASO部分探測器陣列。中科院高能所 供圖

核心科學目標和技術創新有哪些？

LHAASO是以宇宙線觀測研究爲核心的國家重大科技基礎設施，位於稻城縣海拔4410米的海子山，佔地面積約1.36平方公里，由5195個電磁粒子探測器和1188個繆子探測器組成的一平方公里地面簇射粒子陣列（KM2A）、7.8萬平方米水切倫科夫探測器、18臺廣角切倫科夫望遠鏡交錯排布組成的複合陣列，採用4種探測技術全方位、多變量測量宇宙線。

LHAASO的核心科學目標就是探索高能宇宙線起源以及相關的宇宙演化、高能天體演化和暗物質的研究。廣泛搜索宇宙中尤其是銀河系內部的伽馬射線源，精確測量它們從低於1TeV（1萬億電子伏，也稱“太電子伏”）到超過1PeV（1000萬億電子伏，也稱“拍電子伏”）寬廣能量範圍內的能譜，測量更高能量的彌散宇宙線的成分與能譜，揭示宇宙線產生、加速和傳播的規律，探索新物理前沿。

在技術創新方面，LHAASO一是開發出遠距時鐘同步技術，確保整個陣列的每個探測器同步精度可達亞納秒水平；二是在高速前端信號數字化、高速數據傳輸、大型計算集羣協助下滿足多種觸發模式並行等尖端技術要求；三是首次大規模使用硅光電管、超大光敏面積微通道板光電倍增管等先進探測技術，大大提高伽馬射線測量的空間分辨率，實現更低的探測閾能。

通過持續創新，LHAASO使人類在探索更深的宇宙、更高能量的射線等方面，都達到前所未有的水平，爲開展大氣、環境、空間天氣等前沿科學交叉研究提供重要實驗平臺，也是開展高水平國際合作研究的科學基地。

LHAASO地面簇射粒子陣列。中科院高能所 供圖

LHAASO什麼時候全部建成？

中科院高能所科普稱，中國的宇宙線實驗研究至今已經歷三個發展階段：

1954年，中國第一個高山宇宙線實驗室在海拔3180米的雲南東川落雪山建成。

1989年，在海拔4300米的西藏羊八井啓動中日合作的宇宙線實驗，並於2000年啓動中意ARGO—YBJ實驗。

2009年，北京香山科學會議上，曹臻提出在高海拔地區建設大型複合探測陣列“高海拔宇宙線觀測站”的完整構想。目前在建的LHAASO是第三代高山宇宙線實驗室。

高山實驗是宇宙線觀測研究中能夠充分利用大氣作爲探測介質、在地面進行觀測的手段，探測器規模可遠大於大氣層外的天基探測器。對於超高能量的宇宙線，這是唯一的觀測手段。

LHAASO主體工程於2017年開始建設，2019年4月完成1/4規模建設並投入科學運行，開啓邊建設、邊運行模式，2020年1月完成1/2規模的建設並投入運行，同年12月完成3/4規模並投入運行。

LHAASO首席科學家、中科院高能所曹臻研究員介紹研究成果。中新社記者 孫自法 攝

曹臻表示，LHAASO按計劃2021年全部建成，成爲國際領先的超高能伽馬探測裝置，LHAASO後續長期運行，將從多個方面展開宇宙線起源的探索性研究。