从“0”到“1”，山大参与揭秘宇宙线起源！

摘要：近日，由科技日报社主办、部分两院院士和媒体负责人共同评选的2024年国内十大科技新闻揭晓。“拉索”确认首个超级宇宙线源这一重大科学发现成功入选。

近日，由科技日报社主办、部分两院院士和媒体负责人共同评选的2024年国内十大科技新闻揭晓。“拉索”确认首个超级宇宙线源这一重大科学发现成功入选。

在该项研究中，山东大学前沿交叉科学青岛研究院粒子科学技术研究中心作为“拉索”实验的重要合作单位，与其他合作团队利用“拉索”的观测数据，在天鹅座恒星形成区发现了一个巨型超高能伽马射线“泡泡”，并从中找到了能量高于1亿亿电子伏宇宙线起源的候选天体。

这是迄今人类能够确认的第一个超级宇宙线源，让我们距离解开世纪之谜——“高能宇宙线从哪里来”，更近了一步。

“拉索”发现巨型超高能伽马射线泡

该成果曾在2024年2月26日，以封面文章的形式正式发表于Science Bulletin（《科学通报》）。前沿交叉科学青岛研究院冯存峰教授的博士研究生高川东为该文章的通讯作者之一。

下面，让我们一同走近了解“身世成谜”的宇宙线，看山大团队如何从亿万光年外寻得“关键线索”。

重大突破

首次确认超级宇宙线源

在我们生活的宇宙中，有一种非常神奇的存在，它们如同一颗颗不知疲惫的流星，以惊人的高速时刻撞击着地球，这就是宇宙线。

作为来自宇宙空间的高能带电粒子，宇宙线携带着宇宙起源、天体演化等方面的重要科学信息。但，一个最基本的问题总是萦绕在科学家们的头脑中，挥之不去——宇宙线到底来自哪里？这是当代天体物理学的重大前沿科学问题之一。

我国高海拔宇宙线观测站“拉索”（LHAASO）正是瞄准这一重大科学难题建立的国家重大科技基础设施，“拉索”是目前世界上最灵敏的超高能伽马射线探测装置，也是世界上灵敏度最高的甚高能伽马射线源巡天望远镜，以及能量覆盖范围最宽的超高能宇宙线复合式立体测量系统。

高海拔宇宙线观测站（LHAASO）

山东大学前沿交叉科学青岛研究院粒子科学技术研究中心是“拉索”实验的重要合作单位。

此次发现存在超级宇宙线源的天鹅座，是“拉索”最初发现的12个千万亿电子伏伽马射线源之一。山东大学团队早在2022年就对这一天区开展系统攻关。

随着数据量的不断积累，团队发现该天区内有较多超过千万亿电子伏的伽马光子，“这一发现十分令人兴奋”。

冯存峰说：“我们对这些伽马光子的形态分布进行分析，发现它们的形态分布与现有宇宙线千万亿电子伏加速器模型相符，由此推测该天区很可能是一个宇宙线源。”

从前期方法分析、实验数据处理，到进行反复检验论证、解释结果背后的物理原理等工作，团队足耗时两年有余。

由于天鹅座天区结构复杂，具有多个已知星体，还伴随有大量星际弥散物质。要在这样的环境中找到并测量伽马射线源，就像是在一座巨大的城市中寻找一束特定的光线，是一个不小的挑战。

为克服这一难题，当时还是博士研究生的高川东开发了面向复杂天区的信号分析方法，将其用于天鹅座巨型伽马射线“泡泡”的测量。

该方法实现了联合测量，可同时分析天区中多个源的形态和能谱，克服了复杂天区的测量困难，在确认第一个超级宇宙线源的过程中发挥了重要作用。

潜心筑基

为观测站建设作出重要贡献

“拉索”实验在超高能宇宙线观测中具有国际领先水平，但在“拉索”建成前，由于之前的探测器阵列规模较小、探测器能力比较单一，一直没有找到宇宙线源的证据。

“我们需要建成自己的高性能探测器”，冯存峰回忆说，“当中科院高能物理研究所提出LHAASO（高海拔宇宙线观测站）这个概念后，我们非常响应和支持，一起讨论山大可以做些什么事情，山大团队很早便积极参与观测站的建设。”

前沿交叉科学青岛研究院冯存峰教授在高海拔宇宙线观测站

在“拉索”探测器研制阶段，山东大学团队参与了“拉索”探测器水切伦科夫探测器阵列（WCDA）的建设，并参加了探测器性能分析和标定工作。

水切伦科夫探测器阵列可以说是捕捉宇宙“最微弱的光”的“超级眼睛”。它由三个巨大的房间组成，每个房间里装着盛满35万吨纯净水的超级大水池，房间里没有任何光源，可以算是世界上最黑的地方。因为只有这样设计，水池底部的探测器才能捕捉到宇宙线穿过水池时产生的微弱蓝光。

构成“拉索”的还有其他两个阵列：地面簇射粒子阵列（KM2A）和广角切伦科夫望远镜（WFCTA）。

“基于团队在探测器研制中的经验，我们选择开展水切伦科夫探测器的数据分析工作，与其他阵列有效衔接。”这相当于打开了一个更大的“视野窗口”，在较宽的能域范围内进行合作，覆盖从“甚高能”到“超高能”的广泛能量范围，为科学家提供了全面、深入的宇宙线数据。

除此之外，在观测站实验中，山东大学团队还承担并完成了小尺寸光敏探头研制、电磁粒子探测器标定以及离线软件框架系统Lodestar等多项任务，性能达到国际领先水平，为高海拔宇宙线观测站实现工程目标奠定了良好基础。

团队目前已开展了多项物理分析工作，包括超高能伽马射线观测、宇宙线能谱测量和新物理现象寻找等，并取得多项显著成绩。

2021年10月，山东大学作为高海拔宇宙线观测站参建团队被授予“优秀团队”奖，团队骨干成员李腾、刘栋分别获得了工程建设“先进个人”奖。

2023年8月，高海拔宇宙线观测站工程建设总结会在成都天府宇宙线研究中心召开，山东大学团队荣获“重要贡献”奖。

2024年4月，山东大学收到中国科学院高能物理研究所的感谢信，信中称“高海拔宇宙线观测站研制团队”荣获第28届“中国青年五四奖章集体”，荣誉的取得离不开前沿交叉科学青岛研究院粒子科学技术研究中心祝成光、黄性涛、冯存峰教授研究团队的拼搏奉献。

山大LHAASO团队部分成员在观测站现场

不断求索

捕捉更多“星际来信”

在“拉索”确认首个超级宇宙线源后，2024年3月，山东大学团队公布了新的研究成果：“拉索”摸到了宇宙线能谱的“膝”、抓住了“肘” 。

什么是宇宙线能谱的“膝”？上世纪 50 年代末，科学家发现当宇宙线能量超过4千万亿电子伏后，能谱幂指数开始减小，形成一个类似人膝盖的拐点，这就是 “膝”。能谱“膝”结构与宇宙线的来源及在宇宙空间中的旅行方式密切相关，但探测“膝”区宇宙线面临诸多困难。

宇宙线能谱的“膝”和“踝”结构

“拉索”实验在这一研究中发挥了关键作用。它大幅提高了能量测量精度，给出了最准确的“膝”区宇宙线能谱测量结果；同时构造了对宇宙线平均质量敏感的“秤”，精确称量了“膝”区宇宙线平均质量，发现了平均质量分布中的“肘”状结构。这一 “肘”状结构表明能谱拐折的宇宙线主要由氢核和氦核等轻质成分构成。这为进一步揭开宇宙线起源之谜打开了一扇新的大门。