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高海拔宇宙线观测站发现最高能量光子 西南交通大学参与建设

admin2021-05-1717

今日,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。这些发现将于2021年5月17日发表在《Nature》(自然)。西南交通大学有20多人参与LHAASO国际合作组,是除高能物理研究所外参与人数最多的单位。

高海拔宇宙线观测站尚在建设中,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。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LHAASO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,源的位置测量精度优于0.3°。虽然这次使用的数据还很有限,但所有能被LHAASO观测到的源,它们都具有0.1拍电子伏以上的伽马辐射,也叫“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。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,LHAASO的结果完全突破了这个“极限”。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”。 LHAASO的结果表明,科学家们需要重新认识银河系高能粒子的产生、传播机制,进一步研究极端天体现象及其相关的物理过程,并在极端条件下检验基本物理规律。

西南交通大学在LHAASO项目中主要完成了哪些工作呢?

据悉,西南交通大学从1989年开始就参与西藏羊八井宇宙线观测实验,是LHAASO 项目建设的核心单位之一。

祝凤荣副教授

西南交通大学承担了WFCTA激光标定和大气监测系统的建设任务,完成了3套激光标定系统的远程控制运行设计,编写并不断完善值班人员远程运行该系统手册。 该系统于2020年10月份成功运行,实现了对LHAASO-WFCTA的绝对标定和大气监测,填补了国际上在海拔4400米运用激光光束标定宇宙线探测器的空白。何为标定?高能宇宙线(原初粒子)穿过大气时,会与空气相互作用产生各种次级粒子,即由一个原初粒子变成一簇粒子。这一簇粒子中的高能带电粒子超过空气介质中的光速时,就产生切伦科夫光。更高能量的粒子会激发空气中的氮气分子,氮气分子退激后辐射出荧光。这些切伦科夫光或者荧光会被望远镜阵列收集并记录下来。怎么确定望远镜到底收集了簇射中的多少光信号哪?这就需要我们用能量已知波长一定的激束确定单台望远镜探测器对光的真实探测效率。这就是标定。结合实验观测数据和模拟,推断出原初粒子的种类、能量、入射方向等信息。

原初粒子诱发的簇射粒子中,部分缪子穿透土层被我们的谬子探测器捕捉到;部分带电粒子被我们的电磁粒子探测器记录。这两种探测器是本次LHAASO项目重要成果的记录者,西南交通大学参与了其中的设计研制、安装运行、性能测试等工作。而且LHAASO缪子探测器的负责人毕业于西南交通大学。

西南交大参与了WFCTA的运行工作。WFCTA需要在晴朗的无月亮的夜晚运行, 每天夜间值班运行的队伍中有一半师生来自西南交通大学。西南交大的参与,使得WFCTA积累了2个观测季节的宝贵的宇宙线观测数据。

刘四明教授是LHAASO成果发表委员会的主席,积极组织成果的讨论和文章的发表。

宇宙线的物理分析方面,利用KM2A进行宇宙线的轻成份谱、重核能谱的研究工作。利用深度学习技术进行宇宙线的成分鉴别工作等正在深入进行。

雷暴是高海拔区域常见的一种天气现象,雷暴期间还常伴随灾害性的闪电、大风和暴雨等。西南交大负责LHAASO观测站大气电场仪的安装与运行,通过雷暴天气的监测,对雷电活动进行预警,为LHAASO实验的安全建设和正常运行提供保障。进入大气层的宇宙线次级带电粒子在穿过雷暴云的过程中,受到雷暴电场的加速或减速作用,到达探测器时其能量、时间和位置等信息将发生改变。宇宙线与雷暴活动的关联就成了宇宙线物理与大气物理交叉学科中的研究热点。依托LHAASO观测站,西南交大通过模拟和数据分析,深入开展雷暴电场对宇宙线影响的研究,保障LHAASO科学成果的可靠性。该研究内容对拓展LHAASO实验的研究领域和范围也将具有积极的科学意义。

封面新闻记者周丽梅

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