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来自外太空的高能粒子，如何揭秘宇宙起源？

2020-11-08 17:27

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

原创见文末我是科学家iScientist

1912年美国物理学家维克多·赫斯利发现，地球大气中存在的带电高能粒子，其实来自遥远的宇宙，而这些粒子也因此被命名为“宇宙射线”。那么，宇宙射线中到底都有哪些粒子，人类又如何探测宇宙射线呢？我国在探测宇宙射线的道路上，又做出了哪些努力，克服了哪些困难呢？

9月21日，“走近科研团队，感受科技魅力”线上直播活动由中国科协科普部主办，果壳、“书香中国•北京阅读季”协办，并得到北京广播电视台及中国科学院大气物理研究所的共同支持。活动邀请了中国科学院高能物理研究所研究员，高海拔宇宙线观测站水切伦科夫探测器列阵负责人陈明君，中国科学院高能物理研究所副研究员，高海拔宇宙线观测站(LHAASO)广角切伦科夫望远镜阵列负责人张寿山，清华大学副研究员，研究领域主要为核电子学、自动控制、嵌入式系统和数据采集，高海拔宇宙线观测站时钟系统负责人龚光华。他们分别从自己的工作领域，为观众分享了高能粒子方面的知识。

什么是宇宙射线？

宇宙射线是来自宇宙空间的高能粒子，它的主要成分是带电粒子，例如质子、氦核、碳氮氧、镁铝硅、铁核等元素和少量的电子，还包含少量中性粒子例如光子和中微子。

宇宙射线至今已经被发现有100多年了，最高能量高达1021（十万亿亿）电子伏特。现在欧洲核子中心大型强子对撞机（LHC）能把粒子加速到的最高能量为1013（十万亿）电子伏特。宇宙线射线的最高能量比人工加速器的最高能量高达一亿倍。

对宇宙线的测量分空间直接测量和地面间接测量。直接测量实验需要人造卫星或高空气球来运载探测器，把探测器运载到大气层之上，避免宇宙射线和大气层之间发生反应。我国的悟空暗物质粒子探测卫星就属于直接测量实验。

科学家们在地面上摆放几百平方米，甚至到几千平方公里的探测器阵列，来测量能量在百万亿电子伏特以上的宇宙射线。在地面上摆放探测器阵列来测量宇宙射线的方法被称作地面间接测量方法。例如我国正在建设的，位于四川甘孜州稻城海子山的高海拔宇宙射线观测站（LHAASO）实验，就属于地面间接测量。

LHAASO拉索，高海拔宇宙射线观测站

简单来说，高能宇宙线的起源问题，从1912年我们发现它的存在，就一直未获解决的世纪难题，比如说典型的宇宙线，可以有1013电子伏能量，远高于我们人类加速器可以产生的能量，那么，如此之高的能量又是从哪里的来的？是怎么得到的呢？我们的“LHAASO”的科学目标就瞄准了这里。

我们所知道得宇宙线主要是高能光子（也称之为γ）、质子和其它各种稳定的原子核，这些进入地球大气层的高能宇宙线原初粒子，会与空气中的原子核相碰撞，连续发生强相互作用和电磁相互作用，产生大量次级粒子。这个从一个高能宇宙线原初粒子，在大气中级联产生出大量次级粒子的过程，我们称之为—广延大气簇射（EAS），也是我们LHAASO探测的主要物理过程。