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能力 LHAASO重磅：銀河系粒子加速能力超乎想象

2020年4月初的一天，像往常一樣，中國科學(xué)院高能物理所副研究員王玲玉坐到電腦前，打開高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）采集到的數(shù)據(jù)。
很快，一個異常信號進(jìn)入了她的視線。反復(fù)檢查幾次后，她決定把情況報告給她的同事、研究員陳松戰(zhàn)，她調(diào)整好呼吸，以盡可能平靜的語氣說：“LHAASO好像看到了一個超高能伽馬光子。”
“什么！”陳松戰(zhàn)心頭一震。跟王玲玉一起查看了幾遍后，他們決定通過郵件把情況報告給LHAASO的首席科學(xué)家曹臻。郵件文尾寫著：“真假還需要進(jìn)一步判斷！！！！！！”
三個月后，事實證明，王玲玉的直覺沒有錯，這的確是LHAASO看到的第一個來自銀河系的超高能伽馬光子，能量達(dá)到1.4PeV（千萬億電子伏），這意味著光的源頭是一個超高能量的宇宙線加速器。之后，類似事例越來越多，也有越來越多證據(jù)表明，與理論物理學(xué)家的判斷不同，銀河系內(nèi)普遍存在能夠?qū)⒘Ｗ幽芰考铀俪^1 PeV的宇宙線加速器。5月17日，該成果發(fā)表于《自然》雜志。
能力 LHAASO重磅：銀河系粒子加速能力超乎想象
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人類首次在天鵝座區(qū)域發(fā)現(xiàn)能量超過千萬億電子伏特的伽馬光子（中科院高能物理所供圖）
能力 LHAASO重磅：銀河系粒子加速能力超乎想象
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LHAASO四分之三陣列（攝于2020年12月28日）（中科院高能物理所供圖）
找到12個超高能宇宙線加速器
“看到這些結(jié)果，我此生足矣”
一般來說，0.1PeV都意味著進(jìn)入了“超高能”物理領(lǐng)域。
物理學(xué)家費米計算過，以人類的加速器技術(shù)，要讓質(zhì)子對撞出0.1PeV能量的光，加速管道要繞地球四分之一圈（1萬公里）。
要想在地球上造出這么大的加速器，幾乎是不可能的。于是，實驗物理學(xué)家把目光瞄準(zhǔn)了廣袤的宇宙。他們想知道，宇宙中是否存在能把粒子加速到0.1PeV的超高能加速器，如果存在，其加速機(jī)制又是什么。
LHAASO的平方公里陣列（KM2A）就是為搜尋這種超高能宇宙線加速器而設(shè)計的。
能力 LHAASO重磅：銀河系粒子加速能力超乎想象
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地面簇射粒子陣列KM2A（攝于2020年6月13日）（中科院高能物理所供圖）
當(dāng)王玲玉看到第一個超高能伽馬光子信號時，LHAASO的平方公里陣列（KM2A）剛剛建好一半，設(shè)備還在調(diào)試之中。直到三個月后，他們才謹(jǐn)慎地排除誤差的可能，確定此前看到的超高能伽馬光子信號不是由統(tǒng)計誤差或儀器故障等原因造成的。同時，他們又在LHAASO布置的望遠(yuǎn)鏡上找到了同一時刻同樣的光信號，印證了信號的真實性。隨著第一個超高能伽馬光子被確認(rèn)，調(diào)試好的設(shè)備很快又發(fā)現(xiàn)了不少類似的超高能光子。
此次，他們通過《自然》雜志，公布了LHAASO發(fā)現(xiàn)的12個超高能伽馬光的天體源。其中，第一個被發(fā)現(xiàn)的伽馬光子能量高達(dá)1.4PeV，來自天鵝座區(qū)域。
這些發(fā)出超高能伽馬光的天體源，被科學(xué)家們稱為“超高能宇宙線加速器”，而超高能宇宙線加速器也是他們畢其一生夢寐以尋的。
《自然》雜志的匿名審稿人看到論文后驚呼，LHAASO的發(fā)現(xiàn)是“真正的突破”，標(biāo)志著“新時代的開始”。
LHAASO科學(xué)顧問、ARGO-YBJ意方發(fā)言人B.D’Ettorre所言，這一成果“照亮的是廣闊非熱宇宙的壯麗河山”。
得知LHAASO找到這么多超高能宇宙線加速器之后，國際著名天體物理學(xué)家、LHAASO合作組科學(xué)顧問F.Aharonian直言：“看到這些結(jié)果，我此生足矣（I could die after seeing the results）！”
把理論物理推離舒適區(qū)
“再測出一兩個來，我們就完蛋了”
1989年，粒子天體物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了第一個能輻射出0.1TeV（萬億電子伏）光子的銀河系天體，由此開啟了“甚高能”伽馬射線天文學(xué)。在這之后的20年里，他們探測到的光的能量逐漸接近0.1PeV，但一直沒能突破這一極限。
由此，理論物理學(xué)家判斷，0.1PeV處存在超高能量截斷。換言之，他們認(rèn)為，銀河系里沒有超高能宇宙線加速器。
可是，與理論物理學(xué)家相比，曹臻等實驗物理學(xué)家更愿意相信，超高能光子不是不存在，而是人類探測能力有限。
“這種光子的數(shù)量非常少，能量超過1 PeV的光子，平方公里探測器每年也只能從最亮的源收到1到2個，而且這1到2個光子還會被淹沒在約幾十萬個宇宙線信號之中。”曹臻說。
于是，他們想盡辦法壓低宇宙線信號，提高探測器的靈敏度。2019年，人類探測到了第一個能發(fā)出超高能光子的天體，但由于沒有其他探測器看到能夠與之印證的信號，這一發(fā)現(xiàn)對超高能截斷理論的沖擊力有限。

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