重磅！中国科大助力宇宙线起源研究，打开超高能伽马天文新窗口

自1912年奥地利裔美国物理学家

维克托·赫斯由气球实验发现以来

宇宙线向人类传递着遥远星系的信息

被科学家视作非热宇宙的信使

但宇宙线从何而来？

又是怎样的星际现象让宇宙线

具有如此高的能量以穿越茫茫星河？

日前，高海拔宇宙线观测站（LHAASO）观测到12个银河系中能把伽马射线加速到超高能的加速源，为宇宙线起源这一问题的解决带来了突破性的进展。5月17日该成果发表于《自然》杂志（Nature）。

中国科学院高能物理研究所和Springer Nature联合发布会，左一为论文共同通讯作者之一，中国科学技术大学天文学系杨睿智特任教授。

（供图：陈娜）

中国科学技术大学近代物理系，天文学系以及核探测与核电子学国家重点实验室负责了LHAASO关键设备大尺寸光敏探头及其配套电子学系统的研制，并对采集到的数据进行分析和解释。

宇宙线由星际中包括质子和氦原子核等带电粒子构成，以接近光速的速度在宇宙中穿行。对宇宙射线及其来源的了解可以揭示遥远星系的物质构成，并了解远超现阶段人类加速粒子能力极限的宇宙线加速机制。

由于构成粒子带电，宇宙线在传播过程中会受到星际磁场影响而偏转，故无法直接通过到达地球的宇宙射线的方向反推宇宙射线源的位置。但宇宙线与星际介质的相互作用会产生不带电的伽马射线，可以在宇宙中径直传播，易于追踪。通过研究伽马射线源可以间接定位和确认宇宙线加速源。

尚未完全建成的一半LHAASO阵列在11个月的观测后已经在银盘上观测到了12个具有7倍标准偏差以上置信度的超高能伽马射线源，为银河系中超高能级别宇宙线加速源的大量存在提供了直接的证据。

对超高能伽马射线的观测要求LHAASO有着前所未有的灵敏度。为了满足这一要求，中国科大物理学院近代物理系与核探测与核电子学国家重点实验室李澄、唐泽波、江琨团队研制了大尺寸光敏探头。它是LHAASO中水切伦科夫探测器阵列（WCDA）和地面簇射粒子阵列（KM2A）缪子探测器的核心部件，是LHAASO的“视网膜”。该探头具有大动态测量范围，使得LHAASO能够测量从低能到超高能的粒子产生的信号。

李澄、唐泽波、江琨团队在实验室工作。黑箱子为大尺寸光敏探头测试提供黑暗环境。黑箱旁是大尺寸光敏探头测试的数据获取系统，含高压机箱、NIM机箱、VME机箱及相关插件等。

（摄影：中国科大全媒体中心 杨建瑞 余梓铭）

在LHAASO中使用的光电倍增管，光敏探头的关键部件之一。宇宙线和伽马射线与地球大气层作用产生的空间簇射中的次级粒子在探测器中会产生光信号，光电倍增管将其转化为电信号。

（图片提供：核探测与核电子学国家重点实验室）

安琪、赵雷、曹喆团队负责WCDA中大尺寸光敏探头读出电子学系统的研制与工程实施。该团队设计的电子学系统实现了千倍量级大动态范围信号的高精度时间与电荷测量，保障了LHAASO的定位精度和分析精度。

LHAASO WCDA大尺寸PMT读出电子学（其中成功应用了自主研制的ASIC芯片）。大动态范围的电荷与时间测量电子学保障了LHAASO对超高能伽马射线探测的高精度和高灵敏度。

（摄影：中国科大全媒体中心 杨建瑞 马潇汉 刘源渤）

随着LHAASO阵列的建设完成和持续曝光，这些源的空间形态和能谱信息将得到更精准的测量，同时结合多波段多信使的协同观测，由中国科大天文学系的杨睿智主持的团队将继续推进对观测数据的理论解释工作。

论文共同通讯作者之一，中国科学技术大学天文学系杨睿智特任教授，图片是12源之一的LHAASO J2226+6057附近的分子气体分布。

（摄影：中国科大全媒体中心 杨建瑞 余梓铭）

这是人类首次在超高能伽马射线能段探测到如此多的天体，LHAASO的观测打开了超高能伽马射线天文学的新窗口。科大团队将继续对信使宇宙线的源头进行追溯，了解其中的宇宙线辐射机制和加速过程，进一步推动对宇宙线起源这一基础科学问题的理解。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03498-z

中国科学技术大学新闻中心

中国科学技术大学全媒体中心

信息来源：物理学院、核探测与核电子学国家重点实验室

文字：胡冬寅

本期编辑：刘源渤

统筹发布：范琼