专访关于宇宙线,你想知道的,我们帮你问了问LHAASO首席科学家
四川在线记者 徐莉莎
5月17日,中国科学院高能物理研究所与Springer Nature联合发布了重大发现——国家重大科学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,并记录到最高1.4拍电子伏伽马光子(拍=千万亿)。
专家表示,这是人类观测到的最高能量光子,改变了人类对银河系粒子加速机制的传统认知,开启 "超高能伽马天文学"的时代。
这些发现跟我们日常有什么关系?每时每刻造访地球的宇宙线对人体有害吗?LHAASO为什么建在四川?
记者近日专访了LHAASO项目首席科学家、中国科学院高能物理研究所研究员曹臻。
记者:每时每刻光顾着地球,宇宙线对人体有害吗?
曹臻:没有。因为超高能的光子非常少。像这次发现的"拍电子伏宇宙加速器(PeVatron)"周围产生的"超高能伽马光子"信号非常弱,即便是被称为"伽马天文标准烛光"的蟹状星云发射出来的能量超过1 PeV的光子在一年内落在一平方公里的面积上也就1到2个,而这1到2个光子还被淹没在几万个通常的宇宙线事例之中,非常稀少。
其次,我们的地球有个保护膜,就是大气层。大气层虽然感觉看起来很"稀薄",但高能量粒子穿透它时会撞到里面的氮、氧等原子核,产生簇射过程,能量会被分解掉。经过分解后,落在人身上的能量就不高了。
我们人类就是在这个环境中演化而来的,这些粒子也是我们的生存环境之一。人类生活的环境大多处于海拔1000米-2000米范围内,被大气层保护得很好,这也是我们能够在地球上世代繁衍的原因。
记者:宇宙线的研究有什么意义?
曹臻:宇宙线携带着宇宙起源、天体演化、太阳活动及地球空间环境等重要科学信息,研究宇宙线及其起源是人类探索宇宙的重要途径。
此外,我们的目的在于通过新的现象,突破现有的知识和理论。宇宙造了比人类造的高100倍的加速器,这促使我们继续去探索宇宙线产生机制及加速原理,对宇宙和人类未来做更深入的解读。
人类对粒子物理的认知,从宇宙线发现单个粒子的存在,到现在对整个粒子家族和相互作用标准模型、整个物质结构有一个完整清晰的认识,花了一个世纪的时间。就是靠加速器实现的。
人类建加速器的历史不长,上世纪50年代才有大规模的粒子加速器建设起来,最大的比我们桌子大不了多少。上世纪末,有了重大突破,达到了27公里周长的规模。
现在我们纠结的是,现在建加速器的方法,基本是上世纪50年代的方法。要建很大的加速器,只能越做越大。新的现象可能带来新的理论,我们可以基于此次发现探究其源头,学习宇宙加速器的机制。
记者:LHAASO的这些发现,为什么说改变了我们对银河系粒子加速的传统认知?
曹臻:大家普遍认为,银河系并不是非常活动剧烈的星系,质量和活跃程度都很中庸。因此得出结论银河系的天体也不是很活跃,不应该产生能量特别高的粒子。 故此推断测量到的高能量粒子产生于其他星系。这是我们对传统银河系的认知。
但是LHAASO观测到,银河系里有一些天区。比如天鹅座,充满了非常多的大质量恒星。这些恒星质量大,不稳定,快速死亡,快速产生。这样的恒星形成区产生高能量粒子,就是稀松平常的事儿了。
因此,科学家们发现了能量超过拍电子伏的光子,来自天鹅座内非常活跃的恒星形成区。证明银河系并不这么温和稳定,只是我们所处的太阳系位置比较边缘,比较稳定。
记者:和我们的生活有什么关系?
曹臻:高能量的加速器,目前还没直接进入日常生活中来。但是根据其原理建造的缩小版加速器已经变成医疗设备、工业探伤的重要手段。比如在一些大型医院里,加速器作为肿瘤治疗的基本手段,已经进入了我们的生活。
现在我们在东莞建设的散裂中子源,就是一个非常大的加速器。其产生的中子束流,其中一个作用就是用于治疗肿瘤的研究。上周我们高能所开战略研讨会,其中两个报告就谈到,用中子源进行肿瘤治疗,效果很好。高能量的加速器,对生活会越来越重要。
大科学装置的建设,对相关产业带来了提升和影响。我们使用的设备,几乎都靠自主发明和制造,对相关配套产业提出苛刻的要求。生产制造企业通过和我们的合作,不断改进技术,一些技术达到世界领先水平。
比如我们使用的光电倍增管,有半米长,日本的售价卖到了6-7万元一支。我们帮助南京的一家企业成功突破了这个设备,还用到了更好的技术,日本的价格一下降到了2万元左右。
记者:为什么LHAASO建在四川?
曹臻:高海拔宇宙线观测站的选址历经5年时间,我们在四川、西藏、青海、云南等多个省区进行了踏勘和考察。最后综合判断,选择了四川甘孜州稻城县海拔4410米的海子山。
原因有几个方面。首先海子山自然条件非常好,海拔高。海拔不够,想要探测的粒子可能被大气吸收掉。如果同样的探测器在1000多米高的地方,就得不到今天我们的重大发现。
其次,建设200个足球场这么大的阵列,必须地势平坦。我们的探测器内部需要大量超纯净水,需要良好的交通和通讯,这些都能满足。
这个过程中,离不开四川省各级地方政府的大力支持。最基本的,经济上四川省对这个项目给予了大力支持;基础设施上,修了20多公里长的道路,几公里长的水渠,1188个探测器位置的场平,49公里输电线路,还有变电站……各级政府非常支持,在各个方面都给予了大量的协助。
现在这是世界上最好的站点之一。亚丁机场交通便利,给我们提供了巨大的方便。雅康高速的开通,从理塘到亚丁的高水平国道,给我们运输提供了便利。
有欧洲科学家来后感叹,"想都想不到的建设速度。"
记者:下一步,高海拔宇宙线观测站将怎样提升?
曹臻:现在我们探测到了最高能量光子,但是提出了新的问题——我们的角分辨率不够。
我们发现的高能量光子来自于一个较大区域,0.2 是一个非常大的区域。就好比我们无法精确判断这个加速器是在欧洲还是中国。因此,我们需要尽快提高角分辨率。
此外,还需要多波段观测,需要把X射线伽马射线,红外、紫外、微波、中微子探测等技术结合起来。
记者:我们的探测数据,对国际科学界开放吗?
曹臻:我们的基础研究都是开放的。目前,我国大概有25家单位已经参与到这个研究工作中,在北京、南京、上海以至于西南地区都有研究所和大学参与到这个研究中。瑞士、法国、泰国、俄罗斯等国家的四、五个单位也加入到我们的研究课题。
一方面,LHAASO产生的数据,贡献是对全人类的。对宇宙线这样的前沿学科来说,需要大家共同努力。另一方面,我们在这个领域的研究能力并不是世界最领先的,运用优质的观测数据,和世界顶级科学家的合作,能提升我们的队伍和研究能力。
我们在LHAASO取得的成果,会给他们带来示范,我们所走的弯路,也可以给他们提供借鉴。欧美国家目前计划在南半球建设新的观测站,我们也将受邀加入。
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