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【中央纪委国家监委网站】尚在建设中就出重大成果 发现首批“拍电子伏加速器”和最高能量光子 高海拔宇宙线观测站开启“超高能伽马天文学”时代
2021-05-19|文章来源:初英杰 |【
 

  国家重大科技基础设施“高海拔宇宙线观测站(LHAASO)”在银河系内发现大量超高能宇宙加速器,并记录到能量达1.4拍电子伏的伽马光子(拍=千万亿)。

  这是人类观测到的最高能量光子,突破了人类对银河系粒子加速的传统认知,开启了 “超高能伽马天文学”的时代。

  5月17日,这些发现发表在《Nature》(自然)。该研究工作由中国科学院高能物理研究所牵头的高海拔宇宙线观测站国际合作组完成。

  高海拔宇宙线观测站是以宇宙线观测研究为核心的国家重大科技基础设施,目前尚在建设中。

  它位于四川省稻城县海拔4410米的海子山,是由5195个电磁粒子探测器和1188个缪子探测器组成的一平方公里地面簇射粒子阵列(简称KM2A)、78000平方米水切伦科夫探测器、18台广角切伦科夫望远镜交错排布组成的复合阵列。采用这四种探测技术,它可以全方位、多变量地测量宇宙线。

  这次报道的成果是基于已经建成的1/2规模探测装置,在2020年内 11个月的观测数据。

  银河系内的宇宙线加速器存在能量极限是个“常识”,过去预言的极限就在拍电子伏附近,从而预言的伽马射线能谱在0.1 拍电子伏附近会有“截断”现象。高海拔宇宙线观测站的结果完全突破了这个“极限”。

  平方公里探测阵列内的1188个缪子探测器专门用于排除非光子信号,使之成为全球最灵敏的超高能伽马射线探测器。借助这前所未有的灵敏度,目前只有1/2规模的KM2A,仅用了11个月就探测到并证认了来自蟹状星云的约1拍电子伏的伽马光子。

  科学家发现,最高能量的光子来自天鹅座内非常活跃的恒星形成区,还发现了12个稳定伽马射线源,光子能量一直延伸到1 拍电子伏附近,这是位于高海拔宇宙线观测站视场内最明亮的一批银河系伽马射线源,测到的伽马光子信号高于背景7倍标准偏差以上。

  0.1拍电子伏以上的伽马辐射,也叫“超高能伽马辐射”。虽然这次使用的数据还很有限,但所有能被高海拔宇宙线观测站观测到的源,都具有超高能伽马辐射。这表明,银河系内遍布拍电子伏加速器。而人类在地球上建造的最大加速器——欧洲核子研究中心的LHC只能将粒子加速到0.01拍电子伏。

  这些发现开启了 “超高能伽马天文”观测时代,表明年轻的大质量星团、超新星遗迹、脉冲星风云等是银河系内加速超高能宇宙线的最佳候选天体,有助于破解宇宙线起源这个“世纪之谜”。

  揭示了银河系内普遍存在能够将粒子能量加速超过1拍电子伏的宇宙加速器;能量超过1拍电子伏的伽马射线光子首现天鹅座区域和蟹状星云;开启“超高能伽马天文学”时代——高海拔宇宙线观测站的此次科学成果,在三个方面实现了科学突破,在宇宙线起源的研究进程中具有里程碑意义。

  尚在建设中就出重大成果,高海拔宇宙线观测站凭借的是哪些技术创新?

  据有关专家介绍,高海拔宇宙线观测站开发了远距时钟同步技术,确保整个阵列的每个探测器同步精度可达亚纳秒水平;在高速前端信号数字化、高速数据传输、大型计算集群协助下满足了多种触发模式并行等尖端技术要求;首次大规模使用硅光电管、超大光敏面积微通道板光电倍增管等先进探测技术,大大提高了伽马射线测量的空间分辨率,达到了更低的探测阈能,使人类在探索更深的宇宙、更高能量的射线等方面,都达到前所未有的水平。

  高海拔宇宙线观测站也为开展大气、环境、空间天气等前沿交叉科学研究提供了重要实验平台,并成为多边国际合作共同开展高水平研究的科学基地。

  中国的宇宙线实验研究经历了三个阶段,目前在建的高海拔宇宙线观测站是第三代高山宇宙线实验室。其主体工程于2017年开始建设,并边建设边运行:2019年4月完成1/4的规模建设并投入科学运行;2020年1月,完成1/2规模的建设并投入运行,同年12月完成3/4规模并投入运行。

  今年年内,高海拔宇宙线观测站阵列将全部建成,成为国际领先的超高能伽马探测装置,投入长期运行,从多个方面展开宇宙线起源的探索性研究。

  (源自中央纪委国家监委网站 2021年5月17日版 原地址:https://www.ccdi.gov.cn/yaowen/202105/t20210517_242085.html


 
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