曹臻在高海拔宇宙線觀測站沙盤前留影（2021年2月23日攝）。新華社記者 金立旺 攝

建設(shè)中的高海拔宇宙線觀測站（無人機照片，資料圖）。

　　宇宙線發(fā)現(xiàn)后的100多年來，與之相關(guān)的研究獲得5次諾貝爾獎，但人類還不清楚高能宇宙線的主要來源。什么樣的物理過程把這些粒子加速到如此高的能量？它們飛往地球的旅途中經(jīng)歷了什么？它們在宇宙演化各階段起什么作用？

　　5月17日，中國科學院高能物理研究所與Springer Nature聯(lián)合發(fā)布了重大發(fā)現(xiàn)——國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）”在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)大量超高能宇宙加速器，并記錄到來自天鵝座內(nèi)的最高1.4拍電子伏伽馬光子（拍=千萬億）。專家表示，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機制的傳統(tǒng)認知，開啟“超高能伽馬天文學”的時代。

　　這些發(fā)現(xiàn)跟我們?nèi)粘Ｓ惺裁搓P(guān)系？每時每刻造訪地球的宇宙線對人體有害嗎？記者近日專訪了LHAASO項目首席科學家、中國科學院高能物理研究所研究員曹臻。

　　為何研究宇宙線？

　　●宇宙線攜帶著宇宙起源、天體演化、太陽活動及地球空間環(huán)境等重要科學信息，研究宇宙線及其起源是人類探索宇宙的重要途徑

　　●宇宙造了比人類造的高100倍的加速器，這促使我們繼續(xù)去探索宇宙線產(chǎn)生機制及加速原理，對宇宙和人類未來做更深入的解讀

　　●高能量的加速器，目前還沒直接進入日常生活，但根據(jù)其原理建造的縮小版加速器已經(jīng)變成醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)探傷的重要手段

　　她

　　宇宙線

　　●昵稱：“宇宙大事件”的信使

　　●籍貫：天鵝座

　　●誕生時間：不詳，也許幾萬年前，也許幾億年前

　　●構(gòu)成：90％是質(zhì)子，其次是氦核，約占9％，剩下是其他各種元素的原子核、少量光子、電子、中微子以及反物質(zhì)粒子

　　●謎團：作為來自外太空的唯一物質(zhì)樣品，宇宙線攜帶著其產(chǎn)生地“源”天體及其經(jīng)過空間的宇觀環(huán)境，乃至天體演化及宇宙早期的奧秘

　　一封來自太空的情書

　　我是高能粒子，我從宇宙深處天鵝座而來，奔向藍色地球！

　　不只千萬里，奔行億萬年，逐你而來。

　　沒有烏云遮擋，天空清澈透亮；我知道，你就在那里！

　　那是四川，那是稻城，那是海子山，我一頭扎向你的懷抱……

　　與你親密相會，與你浪漫相擁。

　　這一擁，如此甜蜜，又意義非凡——

　　我改變了人類對銀河系粒子加速的傳統(tǒng)認知，開啟了“超高能伽馬天文學”的時代。

　　一定程度上改變了人類對銀河系的認知，也為破解宇宙線起源這個“世紀之謎”邁出了重要一步。

　　蒼穹為證，繁星為證。我來自哪里？我為何飛得這么快？我為何有如此高的能量？我在飛往地球的旅途中經(jīng)歷了什么……

　　這一切，我慢慢告訴你……

　　他

　　高海拔宇宙線觀測站

　　●昵稱：因為從高處看，占地1.36平方公里的高海拔宇宙線觀測站就像一枚銅錢，放置在群山之間，科學家們稱其為“孔方兄”。

　　●籍貫：四川省稻城縣海子山

　　●誕生時間：主體工程于2017年開始建設(shè)，全部設(shè)施有望于今年6月完工，實現(xiàn)全陣列科學觀測

　　●構(gòu)成：5195個電磁粒子探測器和1188個繆子探測器組成的1平方公里地面簇射陣列，78000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復合陣列

　　●目標：探索高能宇宙線起源以及相關(guān)的宇宙演化和高能天體活動，并尋找暗物質(zhì)；廣泛搜索宇宙中尤其是銀河系內(nèi)部的伽馬射線源；測量更高能量的彌散宇宙線的成分與能譜，揭示宇宙線加速和傳播的規(guī)律，探索新物理前沿

　　人類生活的環(huán)境被大氣層保護得很好

　　記者：每時每刻光顧著地球，宇宙線對人體有害嗎？

　　曹臻：沒有。因為超高能的光子非常少。像這次發(fā)現(xiàn)的“拍電子伏宇宙加速器（PeVatron）”周圍產(chǎn)生的“超高能伽馬光子”信號非常弱，即便是被稱為“伽馬天文標準燭光”的蟹狀星云發(fā)射出來的能量超過1 PeV的光子在一年內(nèi)落在一平方公里的面積上也就1到2個，而這1到2個光子還被淹沒在幾萬個通常的宇宙線事例之中，非常稀少。

　　其次，我們的地球有個保護膜，就是大氣層。大氣層雖然感覺看起來很“稀薄”，但高能量粒子穿透它時會撞到里面的氮、氧等原子核，產(chǎn)生簇射過程，能量會被分解掉。經(jīng)過分解后，落在人身上的能量就不高了。

　　我們?nèi)祟惥褪窃谶@個環(huán)境中演化而來的，這些粒子也是我們的生存環(huán)境之一。人類生活的環(huán)境大多處于海拔1000米-2000米范圍內(nèi)，被大氣層保護得很好，這也是我們能夠在地球上世代繁衍的原因。

　　改變了對銀河系粒子加速機制的傳統(tǒng)認知

　　記者：宇宙線的研究有什么意義？

　　曹臻：宇宙線攜帶著宇宙起源、天體演化、太陽活動及地球空間環(huán)境等重要科學信息，研究宇宙線及其起源是人類探索宇宙的重要途徑。

　　人類對粒子物理的認知，從宇宙線發(fā)現(xiàn)單個粒子的存在，到現(xiàn)在對整個粒子家族和相互作用標準模型、整個物質(zhì)結(jié)構(gòu)有一個完整清晰的認識，花了一個世紀的時間，就是靠加速器實現(xiàn)的。

　　人類建加速器的歷史不長，上世紀50年代才有大規(guī)模的粒子加速器建設(shè)起來，最大的比我們桌子大不了多少。上世紀末有了重大突破，達到27公里周長的規(guī)模。

　　我們糾結(jié)的是，現(xiàn)在建加速器的方法，基本是上世紀50年代的方法。要建很大的加速器，只能越做越大。新的現(xiàn)象可能帶來新的理論，我們可以基于此次發(fā)現(xiàn)探究其源頭，學習宇宙加速器的機制。

　　記者：LHAASO的這些發(fā)現(xiàn)，為什么說改變了我們對銀河系粒子加速的傳統(tǒng)認知？

　　曹臻：大家普遍認為，銀河系并不是非常活動劇烈的星系，質(zhì)量和活躍程度都很中庸。因此得出結(jié)論，銀河系的天體也不是很活躍，不應(yīng)該產(chǎn)生能量特別高的粒子。故此推斷測量到的高能量粒子產(chǎn)生于其他星系。這是我們對傳統(tǒng)銀河系的認知。但是LHAASO觀測到，銀河系里有一些天區(qū)，比如天鵝座，充滿了非常多的大質(zhì)量恒星。這些恒星質(zhì)量大，不穩(wěn)定，快速死亡，快速產(chǎn)生。這樣的恒星形成區(qū)產(chǎn)生高能量粒子，就是稀松平常的事兒了。

　　因此，科學家們發(fā)現(xiàn)了能量超過拍電子伏的光子，來自天鵝座內(nèi)非?；钴S的恒星形成區(qū)。證明銀河系并不這么溫和穩(wěn)定，只是我們所處的太陽系位置比較邊緣，比較穩(wěn)定。

　　高能量的加速器，對生活會越來越重要

　　記者：和我們的生活有什么關(guān)系？

　　曹臻：高能量的加速器，目前還沒直接進入日常生活，但根據(jù)其原理建造的縮小版加速器已經(jīng)變成醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)探傷的重要手段。比如在一些大型醫(yī)院里，加速器作為腫瘤治療的基本手段，已經(jīng)進入我們的生活。

　　我們在東莞建設(shè)的散裂中子源，就是一個非常大的加速器。其產(chǎn)生的中子束流，其中一個作用就是用于治療腫瘤的研究。近日我們高能所開戰(zhàn)略研討會，其中兩個報告就談到，用中子源進行腫瘤治療，效果很好。高能量的加速器，對生活會越來越重要。

　　大科學裝置的建設(shè)，對相關(guān)產(chǎn)業(yè)帶來提升和影響。我們使用的設(shè)備幾乎都靠自主發(fā)明和制造，對相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)提出苛刻的要求。生產(chǎn)制造企業(yè)通過和我們的合作，不斷改進技術(shù)，一些技術(shù)達到世界領(lǐng)先水平。比如我們使用的光電倍增管，有半米長，日本的售價賣到了6萬至7萬元一支。我們幫助南京的一家企業(yè)成功突破了這個設(shè)備，還用到更好的技術(shù)，日本的價格一下降到2萬元左右。

　　LHAASO產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，貢獻是對全人類的

　　記者：我們的探測數(shù)據(jù)對國際科學界開放嗎？

　　曹臻：我們的基礎(chǔ)研究都是開放的。瑞士、法國、泰國、俄羅斯等國家的四五個單位也加入我們的研究課題。

　　一方面，LHAASO產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，貢獻是對全人類的。對宇宙線這樣的前沿學科來說，需要大家共同努力。另一方面，我們在這個領(lǐng)域的研究能力并不是世界最領(lǐng)先的，運用優(yōu)質(zhì)的觀測數(shù)據(jù)和世界頂級科學家的合作，能提升我們的隊伍和研究能力。

　　揭秘

　　歷經(jīng)5年，LHAASO選址稻城海子山

　　高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）為什么建在四川？

　　LHAASO項目首席科學家、中國科學院高能物理研究所研究員曹臻透露，高海拔宇宙線觀測站的選址歷經(jīng)5年時間，項目在四川、西藏、青海、云南等多個省區(qū)進行了踏勘和考察。最后綜合判斷，選擇了四川甘孜州稻城縣海拔4410米的海子山。

　　原因有幾個方面。首先，海子山自然條件非常好，海拔高。海拔不夠，想要探測的粒子可能被大氣吸收掉。如果同樣的探測器在1000多米高的地方，就得不到今天的重大發(fā)現(xiàn)。

　　其次，建設(shè)200個足球場這么大的陣列，必須地勢平坦。探測器內(nèi)部需要大量超純凈水，需要良好的交通和通信，這些都能滿足。

　　這個過程中，離不開四川省各級地方政府的大力支持?；A(chǔ)設(shè)施上，修了20多公里長的道路，幾公里長的水渠，1188個探測器位置的場平，49公里輸電線路，還有變電站……各級政府非常支持，在各個方面都給予大量的協(xié)助。

　　現(xiàn)在這是世界上最好的站點之一。亞丁機場交通便利，給項目提供了巨大的方便。雅康高速的開通，從理塘到亞丁的高水平國道，給項目運輸提供了便利。有歐洲科學家來后感嘆，“想都想不到的建設(shè)速度！”