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導讀
LHAASO 探測到的最高能量的伽馬射線，有什麼特殊意義？
有關LHASSO發現，您可能關心的幾個問題
01
什麼是宇宙線？
宇宙線的起源被稱為世紀
之謎，
其科學意義是什麼？
宇宙線是從外太空來到地球的高能粒子，以電離的原子核為主，還包括少量的正負電子和伽馬射線。
宇宙線的發現可以追溯到 20 世紀初，但其加速源頭、加速機制、傳播過程等基本問題仍然沒有弄清。研究清楚宇宙線的起源可以幫助我們理解極端天體環境中發生的物理過程，還可以為暗物質探測提供更加準確的背景估計，具有重要的科學意義。
02
伽馬射線相較於宇宙線中的其他粒子，
有什麼探測方面的優勢和特殊意義？
伽馬射線不帶電，在星系中沿直線傳播，可以方便地追溯其源頭。而佔絕大多數的帶電宇宙線在星系磁場中傳播時被磁場偏轉，幾乎完全喪失了方向性。
03
超高能伽馬天文視窗的科學意義和
重要性是什麼？
伽馬射線能量越高，產生它們所需的宇宙線的能量也需要越高。因此愈發高能的輻射應當反映愈發極端的粒子加速環境。
04
開啟一個新的天文視窗的標誌是什麼？
LHAASO又是如何開啟超高能伽馬天
文這一最高能量的天文視窗的？
以新的觀測手段看到前人所未能看到的現象（如引力波）或者觀測到系列超越前人實驗的能（波）段覆蓋的新源則可以被視作開啟了新的觀測視窗。
LHAASO 的平方公里閃爍體陣列加上上千臺繆子探測器，可以實現對 20 TeV 以上能段伽馬射線最高靈敏度的觀測，在100 TeV 能段 LHAASO 的靈敏度甚至比在建的切倫科夫望遠鏡陣列 CTA 還要高出近一個量級。因此並不意外，LHAASO 1/2 陣列在幾個月的觀測中就看到了很多超高能的源。
05
超高能伽馬射線如何探測？
為什麼要到
4千多米的高山上探測？
高能（一般大於100 GeV）的伽馬射線和空氣原子核發生反應產生一對正負電子，正負電子進一步和空氣反應又產生伽馬，如此反覆，次級粒子數目幾何級數增加，這個過程稱為空氣簇射。透過超大規模的粒子探測器將空氣簇射中的次級粒子記錄下來，從而反推原初入射粒子的性質，這種探測辦法稱為間接探測。與此對應的直接探測是透過空間衛星在大氣層外對宇宙線粒子進行直接測量，例如“悟空”號衛星。
因為高能粒子數目稀少，直接探測一般是測量能量較低的粒子，間接探測則是目前超高能段宇宙線和伽馬射線探測的主要方法。空氣簇射還有一個特點，次級粒子數目先增多後減少，減少的原因是空氣吸收。計算表明，在海拔4000 米左右，LHAASO 主要的目標能區PeV能區的宇宙線和伽馬射線產生的簇射達到極大，可以保證對這些次級粒子進行最好的測量。
06
和世界上的同類實驗相比，
LHAASO 的優勢體現在哪裡？
LHAASO 是一個採用複合探測技術的實驗，有閃爍體探測器、繆子探測器、水切倫科夫探測器、大氣切倫科夫光望遠鏡等，這些探測技術的綜合運用不僅可以擴大能段覆蓋，還可以進行交叉定標。
LHAASO 的探測面積大，其閃爍體陣列面積達到 1。3 平方千米，是羊八井ASgamma 實驗的近 20 倍，水切倫科夫探測器面積為 7。8 萬平方米，是美國HAWC 實驗的 3 倍多，可以測到更多的事例，實現更高的精度。
07
LHAASO 探測到的最高能量的
伽馬射線，
有什麼特殊意義？
LHAASO第一次觀測到了 PeV 以上能量的伽馬射線，這在人類探測伽馬射線的歷史上是一個重要的突破。進一步研究發射 PeV 伽馬射線的源將有助於我們回答宇宙線的起源這樣的根本性問題。
08
LHAASO探測到的最高能量
伽馬射線來
自哪個天體？
這個天體有什麼特殊的地方？
來自天鵝座的一個大質量星團，稱為Cygnus OB2。
這個結果可能意味著大質量星團是超高能宇宙線的重要加速場所。通常人們認為超新星遺蹟是宇宙線的主要加速源。LHAASO 的結果表明在超高能量段或許人們的固有認知需要改變。
09
LHAASO 這次探測到的
超高能
伽馬
射線
能量有多高？
對人體有危害嗎？
一個人被這樣的射線擊中的機率？
這個伽馬射線事例的能量為1。42
0。13 PeV。這是人類迄今為止觀測到的最高能量的伽馬射線，但還不是最高能的宇宙線粒子。最高能的宇宙線粒子能量比這個還要高 5 個數量級。
但是和宏觀物體的能量相比，1。4 PeV 的能量仍然是微不足道的，即便人體被這樣一個伽馬射線擊中，也就相當於一塊小紙片掉在身上的效果（不過最高能量那個宇宙線事例不一樣，它相當於一個 5 千克的鉛球從1 米高處砸下來）。
這樣的伽馬射線非常稀少，像LHAASO這樣大型的儀器近一年時間也才接收到1個這樣的事例，人體被這樣的事例擊中的機率就微乎其微了。更重要的是，地球大氣層給我們提供了保護，在它到達地面之前就被空氣消耗轉化成低能量的粒子了。
10
LHAASO 的世界領先優勢可以
保持多少年？
預計未來 LHAASO
還將有什麼重大發現？
在100 TeV 以上能段 LHAASO 預計將可以領先數十年時間。現在國際上下一代主要的超高能伽馬射線觀測實驗是日美歐等國聯合進行的 CTA 實驗，目前正在建設中。即便是 CTA 實驗，在幾十 TeV 以上能段比起LHAASO 仍然遜色不少。後 CTA 以及後LHAASO時代目前並無切實可行的方案提出。
除了超高能伽馬射線的觀測，LHAASO還將在宇宙線能譜、成分和各向異性測量方面發揮關鍵作用，有望回答宇宙線的“膝”的成因。此外，在如此高的能量段檢驗現有物理理論，探索新物理現象（包括暗物質粒子）也是 LHAASO 的主要科學目標之一。
—— END ——
常進
院士，中國科學院國家天文臺臺長、中科院暗物質與空間天文重點實驗室主任、中國科學技術大學天文與空間科學學院院長。南京歐美同學會（南京留學人員聯誼會）第四屆理事會常務副會長。
編輯 | 花明
本文將在《現代物理知識》2021年第3期刊發。