LHAASO在宇宙线物理中的里程碑意义

高海拔宇宙线观测站（LHAASO）是110年来人类研究宇宙线最大的实验装置之一，核心的科学问题是寻找宇宙线的起源，不但要探测超高能（UHE）伽马射线源，还要精确测量地球附近带电宇宙线的成分和能量分布，系统地研究宇宙线的加速与传播。其首批科学发现就开创了UHE伽马天文学领域，展现出银河系丰富多彩的宇宙线加速源的候选天体，奠定了发现宇宙线起源的良好基础，指明了随后探索宇宙线加速机制、传播效应等精确研究的方向，同时也对现有的理论和模型提供了精确检验的机会与挑战。LHAASO的发现，对其后宇宙线、伽马天文、中微子天文等方面的未来实验研究提出了明确的要求。LHAASO首席科学家，中科院高能所曹臻研究员在《科学通报》发表文章，综述了我国大科学装置LHAASO及其科学发现意义，介绍了其在宇宙线研究中的历史作用，并对未来的发展做出了展望。

宇宙线研究虽始于110年以前Victor Hess的著名发现，但仍然是一门“年轻”的学科，没有形成一个“标准模型”完整地描述其起源、加速的机制、星际空间的传播，甚至于进入太阳系之后受到的太阳活动调制效应也是近些年才有了比较精确的测量和研究。大量实验数据的积累、细致的分析、与各种模型的比对是整个研究领域的主流工作。一个非常重要的原因，就是对宇宙线粒子的源头缺乏足够的知识。首先没有定位其源天体，因此更不清楚它们是如何被加速到超过人造加速器千万倍的高能量，只是根据银河系内的平均磁场强度，推算出大约10¹⁸ eV以下的宇宙线粒子可以被束缚在银河系内，那么能量更高的宇宙线应该是源自银河系以外的加速源。但是，这种从河内到河外起源的转换，也还是本领域的一个前沿研究课题，尚需要更多观测证据来确认。

因此，溯源是宇宙线研究中的核心问题，之所以会如此困难，正是因为宇宙中无所不在的磁场，经历了大约百万年的传播过程，带电的宇宙线粒子完全失去了它们的出发点信息，我们只能通过捕捉宇宙线在其加速源内产生的中性粒子——光子和中微子来完成这项任务。这就是所谓“甚高能伽马射线天文学”诞生的原始动机。代表性的实验装置——成像Cherenkov光望远镜的内禀特性，决定了其工作能区在0.1~100 TeV。从1989年发现第一个辐射出TeV光子的源——蟹状星云开始，已经累计发现了200多颗TeV伽马射线源天体（源天体动态列表见tevcat.uchicago.edu）。这无疑为发现宇宙线的起源向前迈了一大步，但尚未解决这个世纪谜题，因为对所有这些源的伽马辐射机制的确认，主要是通过一个宽广能量范围（从射电到10 TeV伽马射线）的多波段分析研究，都碰到了一个竞争性的机制：这些伽马射线更像是由高能电子辐射出来的，而不是由重子宇宙线粒子产生出来。从天文学的角度来看，TeV伽马天文的这些发现无疑是非常大的进步，但对于解决宇宙线的起源问题，似乎没有产生太大的帮助。随着该领域主力装置的积分灵敏度逐渐到达其极限，整个领域已经缺乏冲击这个核心科学问题的动力，许多的唯象研究甚至倾向于描绘一种图像：银河系的天体大概存在几百TeV的加速能力上限，由此导致的结果就是超过100 TeV，也许伽马射线能谱就截断了。这种结果似乎与地球上测量到的重子宇宙线能谱在该能区的一个著名现象——20世纪50年代发现的宇宙线能谱所谓的“膝”状结构近似地吻合了，即其流强随能量下降的幂律函数关系在该能区突然加剧了，但是并不是很精确的符合，而且这并没有回答更高能量宇宙线起源的问题。

其实，对于由实验主导的宇宙线研究领域来说，真正的需求应该是装备的提升，需要新一代的探测器以前所未有的灵敏度，开创一个新的时代。新千禧年的第一个十年，各国纷纷提出下一代伽马天文观测大科学装置计划：欧洲国家提出了建造100多台Cherenkov望远镜组成的阵列（CTA）计划；美国选择一条通过升级改造实现适度提升灵敏度的高海拔水Cherenkov探测器（HAWC）计划；而我国提出了在“十二五”期间建设高海拔宇宙线观测站的计划，正式参与这场全世界范围内的科学发现竞赛。

高海拔宇宙线观测站（LHAASO）是我国自主提出，并设计、建造的新一代伽马射线望远镜和宇宙线探测装置。它具有前所未有的伽马射线探测灵敏度，将伽马天文的研究带入了人类从未观测过的新波段，即光子能量高于0.1 PeV的所谓超高能伽马射线波段，继已经活跃了30年的“甚高能伽马射线天文学”之后，开启了“超高能伽马射线天文学”的新时代。

本文首先简单介绍LHAASO实验及其建设过程，其次总结LHAASO的第一批科学发现，即大量存在于银河系内的拍电子伏加速器（PeVatron），然后讨论PeVatron对于寻找宇宙线起源的作用与贡献，最后讨论两个话题：其一是PeVatron的发现对现有物理规律的挑战，其二是面临这突如其来的新研究领域，LHAASO还存在哪些不足，未来应该怎样发展和规划。详细内容请见原文。

LHAASO已经进入观测状态，启动了其超高能宇宙线源的发现之旅。每一个划时代的探测器投入观测运行，由于其领先的探测灵敏度，必然会有新的发现随之而来，但自然界却并不保证在任何一个新的窗口、波段都存在像超高能伽马射线天文如此丰富的新现象和关键性的观测证据，使我们能够迅速地逼近核心科学问题，明确近期、中期、甚至长期努力的方向和目标。这使得LHAASO在整个宇宙线研究历史上扮演了一个推开蕴藏着谜底的密室大门的重要角色，一个个PeVatron好比锁着谜底的百宝箱，已经呈现在LHAASO的面前。我们将不懈地努力探索每一个PeVatron的超高能伽马辐射机制和粒子加速机制，直到发现宇宙线起源。
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原文信息

曹臻. LHAASO在宇宙线物理中的里程碑意义. 科学通报, 2022, 67(14): 1558-1566, doi: 10.1360/TB-2022-0160（“阅读原文”直达）

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