圍觀！百萬(wàn)億級(jí)“富豪”駕臨

　　上周，還沉浸在娛樂(lè)圈“吃瓜”快感里的網(wǎng)友們，等來(lái)了一顆基礎(chǔ)科學(xué)界的“大瓜”！

　　7月3日，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所宣布，中日合作西藏ASγ實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)利用我國(guó)西藏羊八井ASγ實(shí)驗(yàn)陣列觀測(cè)到24顆能量超過(guò)100萬(wàn)億電子伏（TeV）的宇宙伽瑪光子，能量最高的一顆甚至達(dá)到了450萬(wàn)億電子伏！這是迄今為止人類觀測(cè)到的最高能量的伽瑪光子。

　　這是什么概念呢？一般可見(jiàn)光光子的能量為幾個(gè)電子伏，450萬(wàn)億電子伏相當(dāng)于一般可見(jiàn)光光子能量的百萬(wàn)億倍！

　　圖注：我國(guó)西藏羊八井ASγ實(shí)驗(yàn)（左圖：ASγ表面陣列；右圖：地下水切倫科夫探測(cè)器）。圖片來(lái)源：高能物理所

　　穿越6500光年來(lái)看你

　　宇宙伽瑪光子屬于宇宙射線的一種。宇宙射線主要是來(lái)自太陽(yáng)系外，有的甚至是銀河系外的高能粒子。絕大部分宇宙線為質(zhì)子和其它一些裸原子核，還有一部分電子、甚至一些反物質(zhì)粒子和高能光子等。

　　本次觀測(cè)到的高能伽瑪光子可大有來(lái)頭，它們來(lái)自大名鼎鼎的“蟹狀星云”（見(jiàn)圖）。為什么能確定它來(lái)自“蟹狀星云”？這是由于光子是不帶電的，因此，它們?cè)诖┬刑盏倪^(guò)程中，不會(huì)被星際磁場(chǎng)偏折，能夠很好定位其源頭。而其它帶電粒子，由于受到星際磁場(chǎng)的偏折，定位來(lái)源非常困難。

　　“蟹狀星云”是由一顆銀河系內(nèi)的恒星死亡爆炸形成，也就是所謂的“超新星”。公元1054年，我國(guó)宋代天文學(xué)家對(duì)這顆超新星進(jìn)行了觀測(cè)并做了詳細(xì)記載。超新星爆炸的能量非常巨大，光芒甚至白天可見(jiàn)。900多年后的今天，它的外部物質(zhì)已經(jīng)膨脹成一個(gè)美麗的星云，看起來(lái)像個(gè)大螃蟹，美其名曰“蟹狀星云”。

　　“蟹狀星云”距離地球6500光年，也就是說(shuō)，這些高能伽瑪光子經(jīng)過(guò)了6500年的旅行才來(lái)到地球。高能伽瑪光子來(lái)到地球后，無(wú)法穿透厚厚的大氣層，沿途被空氣阻擋。

圖注：大氣簇射藝術(shù)圖。

　　當(dāng)高能伽瑪光子與氣體中的原子核碰撞時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生大量的次級(jí)粒子，次級(jí)粒子又會(huì)產(chǎn)生下一級(jí)的次級(jí)粒子，稱為“大氣簇射”。也就是說(shuō)，入射的粒子能量太高了，它攜帶的能量能夠產(chǎn)生出大量的其它各種粒子。

　　所以，我們探測(cè)到的其實(shí)不是原初的高能伽瑪光子本身，而是由它生成的次級(jí)粒子，間接反推出原初的入射粒子的性質(zhì)。

　　“西藏羊八井ASγ實(shí)驗(yàn)”的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，原初伽馬射線入射大氣后產(chǎn)生簇射的次級(jí)粒子中，μ子的比例很少，而其他宇宙線（如質(zhì)子）中，μ子的比例很多。利用這個(gè)原理，他們開發(fā)了專門用于觀測(cè)μ子的設(shè)備裝置，稱之為“地下繆子水切倫科夫探測(cè)器”，并利用這些特有的裝置，將其他種類的宇宙線排除了99.92%，最終觀測(cè)到了人類觀測(cè)史上最高能的伽瑪光子。

　　科學(xué)家推測(cè)，高能伽瑪光子是“蟹狀星云”中高能電子碰撞宇宙微波背景輻射中的光子產(chǎn)生。簡(jiǎn)單說(shuō)就是：高能電子與低能光子碰撞，把低能光子提高成高能光子了。該過(guò)程的物理學(xué)名詞叫“逆康普頓散射”。

　　你也許還會(huì)追問(wèn)，高能電子是如何產(chǎn)生的呢？目前，這個(gè)問(wèn)題科學(xué)家也沒(méi)確定答案，只能給一種可能性的答案。例如，南京大學(xué)的陳陽(yáng)教授認(rèn)為，這可能與條紋狀脈沖星風(fēng)磁重聯(lián)有關(guān)。磁重聯(lián)產(chǎn)生的激波把電子加速到極高的能量。

　　太陽(yáng)上的磁重聯(lián)我們相對(duì)熟悉一些，當(dāng)磁重聯(lián)發(fā)生時(shí)，就會(huì)發(fā)生”太陽(yáng)耀斑“，釋放出極大的能量，太陽(yáng)風(fēng)加強(qiáng)，進(jìn)而在地球兩極激發(fā)出美麗的極光。

　　探索極端宇宙開啟了一扇新窗口

　　當(dāng)引力波首次被探測(cè)到時(shí)，人們通常會(huì)問(wèn)意義是什么？最簡(jiǎn)潔的回答是，打開了人類觀測(cè)宇宙的新窗口。類比這個(gè)回答，我們也可以說(shuō)，本次發(fā)現(xiàn)100萬(wàn)億電子伏能量以上的高能伽瑪光子，打開了一扇探索極端宇宙的新窗口。

　　高能粒子加速器會(huì)失業(yè)嗎？

　　我們知道，本次探測(cè)到的最高能光子達(dá)到了450萬(wàn)億電子伏的能量。然而，目前人類研制的最高能量的電子加速器僅能夠達(dá)到0.2萬(wàn)億電子伏，最高能量的質(zhì)子加速器（LHC）也僅僅能夠達(dá)到7萬(wàn)億電子伏。

　　那么，宇宙射線的探測(cè)能夠替代高能粒子加速器嗎？答案是并不能！其實(shí)，宇宙射線的觀測(cè)與高能粒子加速器實(shí)驗(yàn)是互補(bǔ)的。雖然人工加速器還無(wú)法到達(dá)這么極端的能量，但產(chǎn)生粒子的數(shù)量是可控的，不靠天吃飯，而且流量穩(wěn)定，能夠精細(xì)研究粒子的各種性質(zhì)。

來(lái)源：科普中國(guó)