LHAASO啟航，目標(biāo)宇宙線起源
——《LHAASO科學(xué)白皮書》解讀

馬欣華

（中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所 100049）

一、百年之謎

1912 年，維克托·赫斯攜帶著自己設(shè)計(jì)的能夠承受高空大氣溫度和氣壓變化的驗(yàn)電器，首先在維也納的一片牧草地上測(cè)量了地面輻射強(qiáng)度，然后乘坐氣球升到5300米的高空，測(cè)量到大氣中的輻射強(qiáng)度是地面上的9倍，得出結(jié)論：高穿透力的輻射不是來自于地球，而是來自太空。13年后，羅伯特·密立根(做油滴實(shí)驗(yàn)的那位)為之起名宇宙射線(cosmic ray，亦譯作宇宙線)，意思是來自宇宙的不知名的射線。這種命名法在當(dāng)時(shí)是普遍的，即將未知輻射謂之某某射線，比如紫外線、X 射線、伽馬射線、阿爾法射線、貝塔射線，后來即便研究清楚了射線的粒子本質(zhì)(上述射線分別是能量高于可見光并且能量依次增高的三種光子、氦核、電子)，仍然保留了慣常叫法。

廣義的宇宙線是指來自地球以外的所有粒子,包括帶電粒子(原子核、電子、正電子、反質(zhì)子等)、電中性粒子(中子、高能伽馬射線、中微子等)，其中原子核占比最大。在本文中是指?jìng)鹘y(tǒng)意義上的宇宙線，即原子核，成分包括從輕原子核如氫核(質(zhì)子)、氦核到重原子核如鐵核。宇宙線能量跨度從1 GeV(1 GeV=109eV)至100 EeV(1 EeV=1018eV)。100 EeV可以換算成16焦耳，差不多是煮熟一枚雞蛋所需熱量，也就是說，1個(gè)100 EeV的宇宙線可以煮熟一枚雞蛋。相比之下，人工產(chǎn)生的最高能量粒子是大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的質(zhì)子，被加速到了7 TeV(1 TeV=1012eV)，也只是宇宙線最高能量的千萬(wàn)分之一。

宇宙線的流強(qiáng)隨能量單調(diào)下降，即能量越高的宇宙線數(shù)量越少。這導(dǎo)致有兩種宇宙線探測(cè)的方式：直接測(cè)量和間接測(cè)量。直接測(cè)量是在高空氣球、衛(wèi)星、空間站等航天器上搭載探測(cè)器，到大氣層外直接探測(cè)宇宙線,在那里宇宙線還沒有和大氣層作用。由于探測(cè)器作為載荷不能過重過大，飛行時(shí)間也有限，能量高的宇宙線流強(qiáng)又太低，因此直接測(cè)量方式很難得到研究高能量宇宙線所需的足夠的統(tǒng)計(jì)量。間接測(cè)量是在地面建造大型探測(cè)器陣列，通過探測(cè)宇宙線與地球大氣層的原子核碰撞產(chǎn)生的次級(jí)粒子形成的廣延大氣簇射(extensive air shower，簡(jiǎn)稱簇射)，來推斷出宇宙線的成分和能量。簇射是皮埃爾·俄歇于1938年發(fā)現(xiàn)的。這種簇射的英文名字shower(陣雨)更形象，成千上萬(wàn)的次級(jí)粒子傾瀉而下，確實(shí)像下陣雨一樣。簇射包含了電子、光子、繆子、中微子、強(qiáng)子等次級(jí)粒子。當(dāng)赫斯發(fā)現(xiàn)宇宙線的時(shí)候，他探測(cè)到的其實(shí)是簇射。

通過觀測(cè)宇宙線來研究其起源，有一個(gè)不利因素，即宇宙線是帶電的，在星際空間傳播的過程中已經(jīng)被星際磁場(chǎng)不斷改變運(yùn)動(dòng)方向，結(jié)果我們無(wú)法知道宇宙線是來自哪個(gè)天體，這為尋找宇宙線源帶來了困難。不過，由于光子和中微子是電中性的，不在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)方向，因此它們的方向直指天體源。尤其是伽馬射線，其能量很高，同樣能在大氣中產(chǎn)生簇射，其簇射特征又與宇宙線的不同，所以采用恰當(dāng)?shù)奶綔y(cè)技術(shù)就可以將寶貴的伽馬射線從眾多的宇宙線中挑出來，從而發(fā)現(xiàn)伽馬射線源。當(dāng)確切觀測(cè)到這些光子源和中微子源后，通過理論推測(cè)與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果相比較，能夠判選出產(chǎn)生宇宙線的天體源。

從宇宙線發(fā)現(xiàn)至今已經(jīng)有110 年了，人類掌握的科學(xué)技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，多家實(shí)驗(yàn)對(duì)于宇宙線的種類、能量、強(qiáng)度、分布等進(jìn)行了廣泛的探測(cè)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備越來越高精尖，實(shí)驗(yàn)規(guī)模越來越大，理論研究也越來越深入，可是宇宙線起源仍是一個(gè)未解之謎：宇宙線是在哪里產(chǎn)生的？怎樣加速到不可思議的能量的？怎樣傳播到地球的？為了解開這個(gè)謎團(tuán)，LHAASO上場(chǎng)了。

二、LHAASO 和《LHAASO 科學(xué)白皮書》

LHAASO 是高海拔宇宙線觀測(cè)站(Large High Altitude Air Shower Observatory)的英文縮寫，中文簡(jiǎn)稱“拉索”。“拉索”與藏文“好”同音，當(dāng)初起名字的時(shí)候倒不是刻意為之的，但卻預(yù)示了美好前景。LHAASO 是我國(guó)以宇宙線觀測(cè)研究為核心的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。2008 年我們開始構(gòu)想LHAASO 計(jì)劃，估算出了LHAASO 觀測(cè)靈敏度。2009 年2 月在香山科學(xué)會(huì)議上提出了LHAASO 計(jì)劃的完整構(gòu)思。2013 年1 月國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議討論通過了《國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中長(zhǎng)期規(guī)劃(2012—2030 年)》，規(guī)劃中所列16 項(xiàng)優(yōu)先安排的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中明確包括了LHAASO。經(jīng)過六年選址，2014年3月LHAASO項(xiàng)目最終選定位于四川稻城海子山平均海拔為4410 米的高地作為觀測(cè)基地，并在海拔較低的稻城縣城區(qū)建立測(cè)控基地。2015 年12 月，LHAASO 項(xiàng)目建議書獲得國(guó)家發(fā)改委批復(fù)，標(biāo)志著項(xiàng)目正式立項(xiàng)。2016年進(jìn)行了四川省地方配套建設(shè)。2017 年主體建設(shè)工程破土動(dòng)工。2021 年10 月整個(gè)設(shè)施通過了工藝驗(yàn)收，進(jìn)入全陣列科學(xué)運(yùn)行階段。14 年過去了，在這個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，我們需要回答：LHAASO 是什么樣的？預(yù)期獲得哪些重要的科學(xué)成果？能不能解開宇宙線起源之謎？為此我們編寫了《LHAASO科學(xué)白皮書》。

科學(xué)期刊《中國(guó)物理C》于2022年3月發(fā)表專輯《LHAASO 科學(xué)白皮書》(以下簡(jiǎn)稱《白皮書》)?！栋灼贩饷?圖1)上方是LHAASO 發(fā)現(xiàn)的大于100TeV 的伽馬射線源在銀河系中的真實(shí)分布圖，中間是發(fā)端于天鵝座的一個(gè)宇宙線在大氣層中產(chǎn)生簇射的示意圖，下方是無(wú)人機(jī)拍攝的LHAASO鳥瞰圖。整個(gè)畫面形象地描述了伽馬射線起源于天體、傳播于星際空間、在地球大氣中引發(fā)簇射、最后被LHAASO探測(cè)到的全過程。《白皮書》包括了七個(gè)主題，凝練了LHAASO的建設(shè)和探測(cè)技術(shù)和具體的科學(xué)目標(biāo)，下面請(qǐng)聽我一一道來。

圖1 科學(xué)期刊《中國(guó)物理C》(CPC)專輯《LHAASO科學(xué)白皮書》封面

三、LHAASO的建設(shè)和探測(cè)技術(shù)

《白皮書》第一章介紹LHAASO 的建設(shè)和探測(cè)技術(shù)。LHAASO 觀測(cè)基地建在了海拔4410 m，已經(jīng)接近赫斯那時(shí)候的氣球飛行高度，赫斯肯定預(yù)料不到他的后繼者居然能在他的飛行高度上建一個(gè)平方公里陣列！我們經(jīng)常被問到的一個(gè)問題就是：除了在高原地區(qū)土生土長(zhǎng)的人比較適應(yīng)以外，一般人都會(huì)有高原反應(yīng)的，LHAASO為啥要建在高海拔地區(qū)呢？建設(shè)、工作、生活都不容易適應(yīng)呀。這是由LHAASO 要探測(cè)的簇射在大氣中的縱向發(fā)展特點(diǎn)決定的。從宇宙線與大氣原子核第一次碰撞開始，次級(jí)粒子會(huì)與大氣原子核發(fā)生第二次、第三次……多次碰撞，次級(jí)粒子數(shù)量(簇射大小)如雪崩般增加，同時(shí)由于能量-質(zhì)量守恒，每個(gè)次級(jí)粒子的能量也相應(yīng)減小。一定能量的宇宙線產(chǎn)生的簇射，會(huì)在一定的高度達(dá)到極大，即次級(jí)粒子的數(shù)目達(dá)到最多，再往下發(fā)展數(shù)目就越來越少。LHAASO的物理目標(biāo)所關(guān)注的宇宙線，正是在觀測(cè)站點(diǎn)所在的海拔高度附近達(dá)到極大，這非常有利于精確探測(cè)，而且建于高海拔的水切倫科夫?qū)嶒?yàn)可同時(shí)具有低閾能和高伽馬射線探測(cè)靈敏度的優(yōu)點(diǎn)。占據(jù)高海拔優(yōu)勢(shì)地位，克服高海拔困難，是為了得到最佳的物理結(jié)果，正所謂不入虎穴，焉得虎子。

占地1.3平方公里的LHAASO主要包括三個(gè)大陣列：由5216 個(gè)電磁粒子探測(cè)器(ED)和1188 個(gè)繆子探測(cè)器(MD)交錯(cuò)排布組成的平方公里地面簇射粒子探測(cè)器陣列(KM2A)、78000平方米水切倫科夫探測(cè)器陣列(WCDA)和18 臺(tái)廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡組成的陣列(WFCTA)。另外，LHAASO目前正在考慮增建中國(guó)-俄羅斯合作研制的占地面積一萬(wàn)平方米的采用的晶體閃爍體材料的新型熱中子探測(cè)陣列(ENDA)。LHAASO還包括配套的電子學(xué)、定時(shí)、數(shù)據(jù)采集、觸發(fā)判選、數(shù)據(jù)處理等功能系統(tǒng)和保障陣列安裝、運(yùn)行、維護(hù)的基地設(shè)施。

建設(shè)多種探測(cè)器陣列是LHAASO 的物理目標(biāo)所要求的：KM2A主要瞄準(zhǔn)的是將伽馬射線的探測(cè)盡可能地延伸到更高能量，其中ED 采用的是用塑料閃爍體探測(cè)器探測(cè)簇射中的帶電粒子，MD 用水切倫科夫光探測(cè)器探測(cè)簇射中的繆子，兩者相結(jié)合能夠高效區(qū)分伽馬射線和宇宙線，因?yàn)橘ゑR射線產(chǎn)生的繆子比宇宙線少得多。切倫科夫光是帶電粒子以超過光的相速度穿過介質(zhì)(比如空氣和水)時(shí)所發(fā)出的光。WCDA 主攻的是探測(cè)相對(duì)低能部分的伽馬射線以找到更多的伽馬射線源，是把陣列中心的大水池分割成3120 個(gè)探測(cè)單元，進(jìn)行地毯式近100%全覆蓋探測(cè)。WFCTA 在KM2A 和WCDA 的有力配合下進(jìn)行大能量范圍、高精度宇宙線探測(cè)，采用望遠(yuǎn)鏡探測(cè)大氣切倫科夫光，比傳統(tǒng)的大氣切倫科夫望遠(yuǎn)鏡有更廣闊的視角，滿足宇宙線探測(cè)的需求。ENDA 采用新型的閃爍晶體ZnS(Ag)+B2O3材料，探測(cè)簇射中的強(qiáng)子在地下產(chǎn)生的熱中子，期望進(jìn)一步提高LHAASO 對(duì)宇宙線成分區(qū)分的能力。圖2是LHAASO探測(cè)器的布局示意圖。

圖2 LHAASO探測(cè)器的布局示意圖

雖然LHAASO探測(cè)器種類多樣，探測(cè)單元數(shù)量達(dá)上萬(wàn)個(gè)，但是每個(gè)探測(cè)器都是將光信號(hào)通過光敏器件(光電倍增管或者硅光電管)轉(zhuǎn)化成電脈沖信號(hào)，信號(hào)類型單一、信號(hào)特征一致，便于進(jìn)行相互配合、統(tǒng)一處理。探測(cè)器工作原理可以類比眼睛：眼睛的晶狀體和角膜捕捉飛逝的光子，將光子投射到視網(wǎng)膜上，視網(wǎng)膜的光感受器把光子轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過視神經(jīng)傳遞到大腦，大腦就產(chǎn)生了影像；我們的探測(cè)過程是帶電粒子在閃爍材料或者水或者空氣中產(chǎn)生光子，光子打到光敏器件上產(chǎn)生電信號(hào)，經(jīng)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，傳輸?shù)皆诰€計(jì)算中心進(jìn)行初步分析產(chǎn)生數(shù)據(jù)文件，最后數(shù)據(jù)文件傳輸?shù)酱笮碗x線計(jì)算中心儲(chǔ)存并作后續(xù)分析。

LHAASO 龐大的陣列對(duì)各項(xiàng)技術(shù)都提出了挑戰(zhàn)，我們通過自主創(chuàng)新，完成了多項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān):首次在WFCTA中大規(guī)模使用新型硅光電管，徹底改變了這類望遠(yuǎn)鏡不能在月夜工作的傳統(tǒng)觀測(cè)模式，實(shí)現(xiàn)了有效觀測(cè)時(shí)間的成倍增長(zhǎng)。發(fā)展了基于“小白兔”技術(shù)、適應(yīng)高海拔野外工況的大面積、多節(jié)點(diǎn)、高精度時(shí)鐘同步技術(shù)，提升了該技術(shù)遠(yuǎn)距離同步精度5 倍，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。采用了國(guó)產(chǎn)20英寸超大光敏面積微通道板光電倍增管，將時(shí)間響應(yīng)提高了3 倍，突破了國(guó)際上的技術(shù)壟斷。在海量數(shù)據(jù)獲取技術(shù)上取得顯著進(jìn)步，發(fā)展并實(shí)現(xiàn)了“無(wú)觸發(fā)”數(shù)據(jù)獲取，對(duì)大數(shù)據(jù)量實(shí)現(xiàn)“零死時(shí)間”觀測(cè)。采用特殊的數(shù)據(jù)篩選技術(shù)，對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)損壓縮，實(shí)現(xiàn)從海子山到離線計(jì)算中心的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。目前正在增建的中國(guó)-俄羅斯合作ENDA，采用的新型閃爍材料具有大面積、高效率、高性價(jià)比的特點(diǎn)，將實(shí)現(xiàn)對(duì)簇射的全粒子探測(cè)。所有這些嘗試都為宇宙線和伽馬射線的高靈敏度的精確測(cè)量奠定了基礎(chǔ)。

通過與其他實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較，才能更形象地理解LHAASO 的強(qiáng)大能力，這里僅舉一個(gè)例子：圖3 是LHAASO 伽馬射線探測(cè)積分靈敏度和其他實(shí)驗(yàn)的比較。形象地說，可以把伽馬射線源比作是寶藏，我們不知道海盜會(huì)把多少數(shù)量的寶藏(宇宙有多少伽馬射線源)藏在地下不知道什么地方(產(chǎn)生的伽馬射線的能量是多少)，不知道藏得多深(伽馬射線多強(qiáng)多弱)。那么，如果開展挖寶競(jìng)賽(發(fā)現(xiàn)伽馬射線源的競(jìng)爭(zhēng))，那就看誰(shuí)挖的范圍廣(探測(cè)伽馬射線的能量范圍寬，表現(xiàn)在圖3 上就是靈敏度曲線長(zhǎng))、挖得深(探測(cè)伽馬射線的靈敏度高，表現(xiàn)在圖3上就是靈敏度曲線低)，誰(shuí)就越有可能挖到寶藏(發(fā)現(xiàn)伽馬射線源)。在高能區(qū)(＞10 TeV)，LHAASO 的優(yōu)勢(shì)顯而易見。在低能區(qū)，由于探測(cè)器的種類不同，各自的優(yōu)勢(shì)也不盡相同，LHAASO擅長(zhǎng)全天區(qū)掃描發(fā)現(xiàn)新源，而國(guó)外建設(shè)中的大氣切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列CTA擅長(zhǎng)高靈敏度的定點(diǎn)觀測(cè)，如果二者能強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，相互補(bǔ)充，定然能碰撞出光彩照人的火花來。

圖3 LHAASO伽馬射線探測(cè)積分靈敏度和其他實(shí)驗(yàn)的比較

四、LHAASO科學(xué)成果的預(yù)期

《白皮書》第二章至第七章描述了LHAASO具體的科學(xué)目標(biāo)，我將其分成五個(gè)部分簡(jiǎn)略介紹一下。

1.甚高能(TeV)伽馬射線天文學(xué)(第二、三章)

目前甚高能(TeV)伽馬射線天文學(xué)領(lǐng)域的關(guān)鍵問題在于：一方面，尚未收集到足夠多伽馬射線源的樣本，無(wú)法按其加速行為進(jìn)行分類；對(duì)已知源的能譜和源區(qū)多波段詳細(xì)觀測(cè)的樣本也太少，難以在較為普遍存在的規(guī)律性觀測(cè)結(jié)果和特殊個(gè)體行為之間做出正確的判斷。因此，目前需要的是對(duì)整個(gè)天空的巡天觀測(cè)以發(fā)現(xiàn)大批伽馬射線源。另一方面，需要對(duì)伽馬射線源做深度成像觀測(cè)、大范圍的能譜測(cè)量和盡可能寬廣的多波段觀測(cè)研究，徹底弄清伽馬射線的輻射機(jī)制，判選出真正進(jìn)行強(qiáng)子加速的天體源。因此對(duì)所輻射的伽馬射線能量達(dá)到100 TeV 以上的天體源(因?yàn)榘l(fā)射伽馬射線的粒子能量超過1 PeV=1015eV，所以稱為Pevatron)的搜索是伽馬射線天文學(xué)的新的熱點(diǎn)。

銀河系內(nèi)的伽馬射線源類型多樣，數(shù)量眾多，包括：(1)超新星遺跡(SNR)。超新星是一部分恒星演化的終點(diǎn)，恒星通過爆炸可以將其大部分甚至幾乎所有物質(zhì)以很高的速度向外拋散，并與周圍的星際物質(zhì)碰撞產(chǎn)生激波，形成一個(gè)由膨脹的氣體和塵埃構(gòu)成的殼狀結(jié)構(gòu)，被稱作超新星遺跡。SNR長(zhǎng)久以來被認(rèn)為是銀河宇宙線的主要來源。(2)脈沖星風(fēng)云(PWN)。脈沖星高速旋轉(zhuǎn)的超強(qiáng)磁場(chǎng)可以將帶電粒子加速到相對(duì)論速度，沖入星際介質(zhì)，產(chǎn)生一股強(qiáng)烈的激波，在其作用下磁化的粒子流加速噴射出來。PWN是TeV能段河內(nèi)源中最多的一類，目前在TeV能段觀測(cè)到的PWN有34個(gè)，其中13個(gè)在LHAASO 視場(chǎng)內(nèi)。(3)銀河系彌散伽馬輻射，可用以研究銀河宇宙線的傳播，研究不同區(qū)域的宇宙線和星際介質(zhì)氣體的分布及相互作用。(4)高能粒子與星際物質(zhì)或輻射場(chǎng)相互作用產(chǎn)生伽馬輻射，這些高能粒子是從加速區(qū)逃逸出來的，因此許多甚高能伽馬射線源表現(xiàn)為擴(kuò)展源。此外，銀道面彌散伽馬輻射大部分來自宇宙線與星際物質(zhì)及輻射場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的輻射。

銀河系外的伽馬射線源包括：(1)活動(dòng)星系核(AGN)通常是大質(zhì)量黑洞，具有顯著的流強(qiáng)變化的特征。由于源的距離非常遙遠(yuǎn)，通過與其他電磁波波段的聯(lián)合觀測(cè)，輻射變化可以用于探索多個(gè)涉及大尺度物質(zhì)分布、河外背景光分布、量子引力效應(yīng)等基本天體物理問題。(2)存在一類空間上擴(kuò)展的源，比如位于天鵝座方向的一個(gè)相當(dāng)明亮的伽馬射線源，其流強(qiáng)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了切倫科夫望遠(yuǎn)鏡所能探測(cè)的最低靈敏流強(qiáng)，但他們并沒有被這些窄視場(chǎng)的望遠(yuǎn)鏡所發(fā)現(xiàn)。這充分體現(xiàn)出寬視場(chǎng)掃描探測(cè)器在發(fā)現(xiàn)具有擴(kuò)展特性的源的優(yōu)勢(shì)，也給LHAASO留下了發(fā)現(xiàn)較強(qiáng)源的寬廣空間。(3)伽馬射線暴(GRB)，是宇宙中最劇烈的恒星級(jí)高能爆發(fā)現(xiàn)象，在觀測(cè)上GRB 表現(xiàn)為來自宇宙空間某一方向上伽馬射線流量短時(shí)間內(nèi)突然增加。我們?nèi)匀徊恢繥RB 產(chǎn)生的光子最高能到多高能量，而LHAASO 提供的GRB 的高能輻射觀測(cè)結(jié)果對(duì)于全面了解這種劇烈爆發(fā)現(xiàn)象來說至關(guān)重要，為黑洞和致密星相關(guān)物理、高能宇宙線和中微子的產(chǎn)生等問題提供線索，還能夠用于限制GRB的洛倫茲因子、源區(qū)磁化度等關(guān)鍵參量。

2.宇宙線物理(第四章)

圖4是到目前為止各家實(shí)驗(yàn)測(cè)量到的宇宙線能譜。我們只看最高能量(圖4 最右邊)的那條，形狀像不像腿？物理學(xué)家還真的給它上面的那些拐折起了形象的名字：“膝(knee)”和“踝(ankle)”。膝區(qū)對(duì)于研究宇宙線起源是非常重要的，目前認(rèn)為膝區(qū)以下(能量小于膝區(qū))的宇宙線來自于銀河系內(nèi)，膝區(qū)是銀河系內(nèi)宇宙線源的加速極限能量，膝區(qū)以上銀河系外宇宙線逐漸占多。目前多個(gè)宇宙線起源理論模型預(yù)報(bào)的膝區(qū)特征有不少差別。只有精確的分成分能譜，才能對(duì)不同的理論模型給出明確的評(píng)判。LHAASO 的探測(cè)范圍是從300GeV 到1EeV,跨越6個(gè)數(shù)量級(jí)，全覆蓋膝區(qū)，延展接近踝區(qū)。探測(cè)能區(qū)達(dá)6 個(gè)數(shù)量級(jí)是什么概念？可以類比長(zhǎng)度測(cè)量，從1毫米到1千米跨度6個(gè)數(shù)量級(jí)。我們一般要用四種尺子丈量：1 毫米到20 厘米用文具尺，0.1 米到1米用米尺，1米到10米用卷尺，而10米到1千米就要用激光全站儀了。如果只用一把尺子去量呢？同時(shí)保證精度和范圍的難度可想而知。LHAASO 這一把“尺子”就是要實(shí)現(xiàn)在6 個(gè)數(shù)量級(jí)的宇宙線分成分能譜上的高精度探測(cè)，深度研究膝區(qū)分成分能譜，并且將更低能區(qū)的直接探測(cè)結(jié)果與最高能區(qū)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(比如陣列面積達(dá)3000平方公里的皮埃爾·俄歇計(jì)劃)連為一體，將精確測(cè)量從直接測(cè)量推向最高能宇宙線的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)能量定標(biāo)的統(tǒng)一。

圖4 宇宙線能譜

3.新物理(第五章)

新物理方面，LHAASO對(duì)伽馬射線和宇宙線的測(cè)量可以用來限制各種暗物質(zhì)和軸子理論模型的參數(shù)空間。有的理論預(yù)期暗物質(zhì)能夠通過湮滅產(chǎn)生高能伽馬射線對(duì)，會(huì)在彌散伽馬射線能譜上疊加上一個(gè)超出，而LHAASO在這個(gè)能區(qū)具備前所未有靈敏度。另外，在相對(duì)論和量子場(chǎng)論中，洛倫茲對(duì)稱性是一個(gè)基本的對(duì)稱性，有的理論預(yù)期在普朗克標(biāo)度的高能條件和量子引力條件情況下，洛倫茲對(duì)稱性可能會(huì)有一定的破壞。洛倫茲破壞的一個(gè)重要預(yù)言，就是高能光子的傳播速度相對(duì)低能量的光子有所減小。在LHAASO觀測(cè)中，如果洛倫茲對(duì)稱性破壞，就會(huì)造成高能量的光子不再穩(wěn)定，能夠快速衰變?yōu)橐粚?duì)正負(fù)電子對(duì)或者衰變到3 個(gè)伽馬光子。換句話說，高能量的光子在飛往地球的旅程中就自動(dòng)消失了。對(duì)于我們?cè)诘厍蛏系挠^測(cè)者來說，即使天體源已經(jīng)發(fā)出了能量更高的光子，我們測(cè)量到這個(gè)天體的光子能譜也在這個(gè)特定的能量就會(huì)忽然截?cái)唷＿€有，LHAASO 能看到的PeV 伽馬射線，遠(yuǎn)超人工在LHC產(chǎn)生的最高能量，在這么高的能量會(huì)有什么新現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)呢？這也是一個(gè)興奮點(diǎn)。

4.多信使物理——中微子(第六章)

宇宙線在產(chǎn)生、加速、傳播中能產(chǎn)生多種粒子，包括宇宙線本身、伽馬射線、中微子，這些粒子就是宇宙線源發(fā)出的我們能探測(cè)到的“信使”。高能中微子之所以重要，是因?yàn)楦吣苤形⒆颖厝皇窃谟钪婢€與空間介質(zhì)作用過程中產(chǎn)生的，中微子源必然是宇宙線源。同伽馬射線一樣，中微子可能也有銀河系內(nèi)源和河外源，有點(diǎn)源有擴(kuò)展源，但是中微子的作用非常弱，要捕獲中微子，需要建設(shè)以大體積且透明的水或者冰為靶物質(zhì)的大型實(shí)驗(yàn)，比如在南極洲的冰立方(IceCube)。到目前為止，還沒有中微子天體源被冰立方明確發(fā)現(xiàn)。LHAASO 通過持續(xù)觀測(cè)附近的耀變體和星暴星系，可以提供更多候選中微子源的詳細(xì)信息。另外，LHAASO可以獨(dú)自做一項(xiàng)工作，即通過探測(cè)大角度橫向飛來的簇射來尋找水平中微子事例，特別是尋找稀有的τ中微子，這種事例與其他簇射相比有顯著的獨(dú)特特征，便于排除本底。

5.交叉學(xué)科研究(第七章)

作為交叉學(xué)科研究平臺(tái)，LHAASO還可以在其他物理領(lǐng)域做出貢獻(xiàn)。太陽(yáng)是離我們最近的恒星，不斷地在輻射出不同能量的粒子，形成太陽(yáng)風(fēng)。強(qiáng)烈的日冕物質(zhì)拋射，可能對(duì)地球磁場(chǎng)產(chǎn)生巨大的擾動(dòng)并引發(fā)地磁風(fēng)暴，造成“空間天氣”的突然變化甚至于災(zāi)變，影響著我們的生活。這些太陽(yáng)活動(dòng)造成了地面低能輻射的變化，包括電磁成分和中子通量的變化，從而引起探測(cè)器中計(jì)數(shù)率的變化。另一方面，地球大氣中電場(chǎng)的變化(比如雷暴)，也能夠誘發(fā)低能宇宙線流強(qiáng)的變化。有趣的是，地殼運(yùn)動(dòng)(比如地震)也能夠影響地殼(包括土壤、巖石、混凝土等)中的放射性同位素的釋放，從而改變了中子的通量。LHAASO 具備多種探測(cè)手段以及不間斷的海量宇宙線數(shù)據(jù)，可用于對(duì)這些變化現(xiàn)象進(jìn)行深入的跟蹤監(jiān)測(cè)和研究，為太陽(yáng)物理、大氣物理、地球物理等相關(guān)課題提供重要的線索和佐證。

五、千里之行，始于足下

LHAASO采用邊建設(shè)、邊運(yùn)行、邊出結(jié)果的工作模式，在全陣列完工之前，已經(jīng)獲得了部分重要成果：

(1) LHAASO 基于已經(jīng)建成的1/2 規(guī)模探測(cè)裝置在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)12 個(gè)超高能宇宙線加速器PeVatron，并記錄到能量達(dá)1.4 PeV 的伽馬光子，這是人類觀測(cè)到的最高能量光子，突破了人類對(duì)銀河系粒子加速的傳統(tǒng)認(rèn)知，開啟了“超高能伽馬天文學(xué)”時(shí)代。這些發(fā)現(xiàn)于2021 年5 月17 日發(fā)表在《自然》(Nature)。

(2) LHAASO 精確測(cè)量了被稱為高能天文學(xué)“標(biāo)準(zhǔn)燭光”的蟹狀星云的亮度，還記錄到能量達(dá)1.1 PeV 的伽馬光子。這個(gè)迄今為止研究得最為透徹的一個(gè)電子加速源，發(fā)射的光子達(dá)到了人工加速器產(chǎn)生的電子束能量的兩萬(wàn)倍左右，直逼經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)和理想磁流體力學(xué)理論所允許的加速極限。相關(guān)結(jié)果于2021 年7 月8 日發(fā)表在《科學(xué)》(Science)。

(3) LHAASO 發(fā)現(xiàn)了一個(gè)環(huán)繞脈沖星PSR J0622+3749 的伽馬射線擴(kuò)展源LHAASO J0621+3755，確認(rèn)了高能粒子是能夠在脈沖星暈的介質(zhì)中擴(kuò)散出來的，該成果于2021 年6 月16 日發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》(Phys.Rev.Lett.)。

(4)LHAASO 的觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，目前的伽馬射線譜到PeV 以上都是一直向高能延續(xù)的，并沒有發(fā)現(xiàn)任何高能伽馬事例“神秘”消失的現(xiàn)象，表明洛倫茲對(duì)稱性在接近普朗克能標(biāo)下仍然是正確的。這一研究成果于2022 年2 月3 日發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》。

（5）LHAASO對(duì)質(zhì)量超過100 TeV的重暗物質(zhì)的壽命做出了迄今最強(qiáng)烈的限制，比已有結(jié)果提高了近10 倍，與其他尋找暗物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)（如中微子觀測(cè)實(shí)驗(yàn)）有很強(qiáng)的互補(bǔ)性。這一研究成果于2022年12 月21 日發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》，并被雜志選為高亮論文，American Physical Society 對(duì)此作了報(bào)道。

LHAASO 采用多種探測(cè)技術(shù)，可以大視場(chǎng)、全天候、寬能段、全方位、多變量、立體地測(cè)量伽馬射線和宇宙線在大氣層中的反應(yīng)，并重建它們的基本信息。LHAASO獨(dú)特的多種探測(cè)手段、相互交叉檢驗(yàn)的能力以及強(qiáng)大的伽馬射線和宇宙線成分區(qū)分能力，將確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。結(jié)合高海拔優(yōu)勢(shì)和長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行優(yōu)勢(shì)，LHAASO能夠發(fā)現(xiàn)大量的伽馬射線源，在超高能伽馬射線源和宇宙線分成分能譜的研究上達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先的靈敏度。LHAASO 也為開展大氣、環(huán)境、空間天氣等前沿交叉科學(xué)研究提供了重要實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，成為多邊國(guó)際合作共同開展高水平研究的科學(xué)基地。

如果把LHAASO比作一艘遠(yuǎn)洋巨輪，那么之前是巨輪的設(shè)計(jì)、制造階段，而且初次試水便不同凡響?，F(xiàn)在，LHAASO 正全速前進(jìn)，駛向探索宇宙線起源的深藍(lán)海洋。期待中。