超高能宇宙加速器 实验发现超高能宇宙线加速候选天体

一、实验发现超高能宇宙线加速候选天体

宇宙线自1912年被发现至今已100多年，然而，超高能宇宙线的起源问题至今未解，成为“世纪之谜”。

近日，中日合作团队利用我国西藏羊八井ASgamma（ASγ）实验阵列，在国际上首次发现，距地球2600光年的超新星遗迹 SNR G106.3+2.7发射出了超过100TeV（万亿电子伏特）的伽马射线。

科学家推断，这些伽马射线可能是由PeV（又称拍电子伏特，千万亿电子伏特）能量级别的宇宙线与附近的分子云碰撞产生的，而宇宙线则是被该超新星遗迹的冲击波加速产生的。SNR G106.3+2.7由此成为银河系中一个可能的“拍电子伏特宇宙线加速器”(PeVatron)，为解开超高能宇宙线的起源之谜打开重要窗口。相关观测结果3月2日发表于《自然—天文学》。

“PeV”是一个至今靠人类力量无法企及的超高能量，它比地球上人造加速器的最高能量还要高出100倍。

自然的力量远远超乎人类，一些科学家们认为，银河系中存在拍电子伏特宇宙线加速器，即能够将宇宙射线加速到PeV能量的天体源。但是，长期以来，这样的天体源并未被找到，超高能宇宙线的起源也成了世纪之谜。

之所以难找，是因为宇宙线带电荷，它们在传播的过程中会受到银河系磁场的偏转，到达地球时的方向已经不再指向源头了，因此无法通过宇宙线的方向来判断源头在哪。

幸运的是，宇宙线（例如质子）在其源头附近被超新星遗迹的激波加速到PeV能区，然后与附近的分子云碰撞，产生中性的派介子，寿命极短的派介子会迅速衰变产生能量约为母体宇宙线能量十分之一的伽马射线。由于伽马射线不带电荷，沿直线传播，因此，从地球上观测到的伽马射线到达方向就对应了该天体源方向。

论文作者之一、中国科学院高能物理研究所（以下简称中科院高能所）研究员黄晶告诉《中国科学报》，科研人员之所以能够判断出该超新星遗迹是拍电子伏特宇宙线加速器，主要依赖三条判据，一是该天体源发出的伽马射线能量超过100 TeV；二是伽马射线发射区与分子云的位置一致；三是能够排除超高能伽马射线产生于脉冲星及其风云高能电子的可能性。

此前，世界上还没有任何一个实验组找到同时满足这三个条件的天体。

羊八井ASγ实验并非唯一一个观测到来自于这个超新星遗迹的伽马射线的实验。同样观测到的还有美国的VERITAS成像切伦科夫望远镜、美国费米伽马射线空间望远镜、美国的HAWC实验。

不过，黄晶表示，美国的VERITAS成像切伦科夫望远镜、费米伽马射线空间望远镜对100TeV以上能区的伽马射线观测灵敏度不够，而HAWC实验观测到的100TeV伽马射线辐射区位置精度较低，不足以排除伽马射线产生于脉冲星及其风云高能电子的可能性。

西藏中日合作ASγ实验位于海拔4300米的西藏羊八井，始建于1989年。

2014年，中日合作ASγ实验团队在原有的宇宙线表面阵列的地下，增设了创新型的地下缪子水切伦科夫探测器,面积约4500平方米，用于探测宇宙线质子与地球大气作用产生的缪子。综合利用表面和地下探测器阵列的数据，可以排除99.92%的宇宙线背景噪声，从而提高了探测伽马射线的灵敏度。

黄晶介绍，此次，中日合作团队通过有效时间2年的观测，测量到了来自SNR G106.3+2.7方向的超过100TeV的超高能伽马射线，发现这些伽马射线的空间分布与附近分子云的分布接近，而与这个区域内存在的脉冲星及其风云关联较弱。

“对这些观测结果的一个合理解释是：质子在超新星遗迹附近被冲击波加速到PeV能区，然后与附近的分子云碰撞产生中性派介子，随后派介子衰变产生超高能伽马射线。这样，这个超新星遗迹就成为银河系中一个拍电子伏特宇宙线加速器的候选体。”黄晶说。

中科院高能所副所长卢方军告诉《中国科学报》，作为西藏羊八井ASγ实验的后续项目，我国正在四川稻城建设大面积高海拔宇宙线观测站（LHAASO），其四分之三阵列已经建成并投入观测运行。和ASγ实验相比，LHAASO的能量范围和灵敏度要高一个数量级以上，将把宇宙线物理和超高能伽马射线天文研究推进到一个新的高度。

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二、加速器的发展历史

1919年英国科学家卢瑟福(E.Rutherford）用天然放射源中能量为几个MeV、速度为米/秒的高速α粒子束（即氦核）作为“炮弹”，轰击厚度仅为0.0004厘米的金属箔的“靶”，实现了人类科学史上第一次人工核反应。利用靶后放置的硫化锌荧光屏测得了粒子散射的分布，发现原子核本身有结构，从而激发了人们寻求更高能量的粒子来作为“炮弹”的愿望。

静电加速器（1928年）、回旋加速器（1929年）、倍压加速器（1932年）等不同设想几乎在同一时期提了出来，并先后建成了一批加速装置。

用人工方法产生高速带电粒子的装置。是探索原子核和粒子的性质、内部结构和相互作用的重要工具，在工农业生产、医疗卫生、科学技术等方面也都有重要而广泛的实际应用。

自从E.卢瑟福1919年用天然放射性元素放射出来的a射线轰击氮原子首次实现了元素的人工转变以后，物理学家就认识到要想认识原子核，必须用高速粒子来变革原子核。天然放射性提供的粒子能量有限，只有几兆电子伏特（MeV），天然的宇宙射线中粒子的能量虽然很高，但是粒子流极为微弱，例如能量为1014电子伏特（ eV）的粒子每小时在 1平方米的面积上平均只降临一个，而且无法支配宇宙射线中粒子的种类、数量和能量，难于开展研究工作。因此为了开展有预期目标的实验研究，几十年来人们研制和建造了多种粒子加速器，性能不断提高。应用粒子加速器发现了绝大部分新的超铀元素和合成的上千种新的人工放射性核素，并系统深入地研究原子核的基本结构及其变化规律，促使原子核物理学迅速发展成熟起来；高能加速器的发展又使人们发现包括重子、介子、轻子和各种共振态粒子在内的几百种粒子，建立粒子物理学。近20多年来，加速器的应用已远远超出原子核物理和粒子物理领域，在诸如材料科学、表面物理、分子生物学、光化学等其它科技领域都有着重要应用。在工、农、医各个领域中加速器广泛用于同位素生产、肿瘤诊断与治疗、射线消毒、无损探伤、高分子辐照聚合、材料辐照改性、离子注入、离子束微量分析以及空间辐射模拟、核爆炸模拟等方面。迄今世界各地建造了数以千计的粒子加速器，其中一小部分用于原子核和粒子物理的基础研究，它们继续向提高能量和改善束流品质方向发展；其余绝大部分都属于以应用粒子射线技术为主的“小”型加速器。

粒子加速器的结构一般包括 3个主要部分：①粒子源，用以提供所需加速的粒子，有电子、正电子、质子、反质子以及重离子等等。②真空加速系统，其中有一定形态的加速电场，并且为了使粒子在不受空气分子散射的条件下加速，整个系统放在真空度极高的真空室内。③导引、聚焦系统，用一定形态的电磁场来引导并约束被加速的粒子束，使之沿预定轨道接受电场的加速。所有这些都要求高、精、尖技术的综合和配合。

加速器的效能指标是粒子所能达到的能量和粒子流的强度（流强）。按照粒子能量的大小，加速器可分为低能加速器（能量小于108MeV）、中能加速器（能量在108～109MeV）、高能加速器（能量在109～1012MeV）和超高能加速器（能量在1012MeV以上）。当前低能和中能加速器主要用于各种实际应用。

1932年美国科学家柯克罗夫特（J.D.Cockcroft）和爱尔兰科学家沃尔顿(E.T.S.Walton）建造成世界上第一台直流加速器——命名为柯克罗夫特-沃尔顿直流高压加速器，以能量为0.4MeV的质子束轰击锂靶，得到α粒子和氦的核反应实验。这是历史上第一次用人工加速粒子实现的核反应，因此获得了1951年的诺贝尔物理奖。

1933年美国科学家凡德格拉夫(R.J.van de Graaff）发明了使用另一种产生高压方法的高压加速器——命名为凡德格拉夫静电加速器。以上两种粒子加速器均属直流高压型，它们能加速粒子的能量受高压击穿所限，大致在10MeV。

奈辛（G.Ising）于1924年，维德罗（E.Wideroe）于1928年分别发明了用漂移管上加高频电压原理建成的直线加速器，由于受当时高频技术的限制，这种加速器只能将钾离子加速到50keV，实用意义不大。但在此原理的启发下，美国实验物理学家劳伦斯(E.O.Lawrence)1932年建成了回旋加速器，并用它产生了人工放射性同位素，为此获得了1939年的诺贝尔物理奖。这是加速器发展史上获此殊荣的第一人。

由于被加速粒子质量、能量之间的制约，回旋加速器一般只能将质子加速到25MeV左右，其原因就是随着粒子的速度不断的增加，其加速度和外力的关系不再适用牛顿运动定律，即高频加速电场的频率和回旋频率不再匹配；如将加速器磁场的强度设计成沿半径方向随粒子能量同步增长，则能将质子加速到上百MeV，称为等时性回旋加速器。

为了对原子核的结构作进一步的探索和产生新的基本粒子，必须研究能建造更高能量的粒子加速器的原理。1945年，前苏联科学家维克斯列尔（V.I.Veksler）和美国科学家麦克米伦(E.M.McMillan）各自独立发现了自动稳相原理，英国科学家阿里芳特（M.L.Oliphant）也曾建议建造基于此原理的加速器——稳相加速器。

自动稳相原理的发现是加速器发展史上的一次重大革命，它导致一系列能突破回旋加速器能量限制的新型加速器产生：同步回旋加速器（高频加速电场的频率随倍加速粒子能量的增加而降低，保持了粒子回旋频率与加速电场同步）、现代的质子直线加速器、同步加速器（使用磁场强度随粒子能量提高而增加的环形磁铁来维持粒子运动的环形轨迹，但维持加速场的高频频率不变）等。

自此，加速器的建造解决了原理上的限制，但提高能量受到了经济上的限制。随着能量的提高，回旋加速器和同步回旋加速器中使用的磁铁重量和造价急剧上升，提高能量实际上被限制在1GeV以下。同步加速器的环形磁铁的造价虽然大大减少，但因横向聚焦力较差，真空盒尺寸必须很大，造成磁铁的磁极间隙大，依然需要很重的磁铁，要想用它把质子加速到10GeV以上仍是不现实的。

1952年美国科学家柯隆（E.D.Courant）、李温斯顿（M.S.Livingston）和史耐德（H.S.Schneider）发表了强聚焦原理的论文，根据这个原理建造强聚焦加速器可使真空盒尺寸和磁铁的造价大大降低，使加速器有了向更高能量发展的可能。这是加速器发展史上的又一次革命，影响巨大。此后，在环形或直线加速器中，普遍采用了强聚焦原理。

美国劳伦斯国家实验室1954年建成的一台6.2GeV能量的弱聚焦质子同步加速器，磁铁的总重量为1万吨。而布鲁克海文国家实验室33GeV能量的强聚焦质子同步加速器，磁铁总重量只有4千吨。这说明了强聚焦原理的重大实际意义。

以上主要介绍的是质子环形加速器，对电子加速器来说情况有所不同。1940年美国科学家科斯特(D.W.Kerst）研制出世界上第一个电子感应加速器。但由于电子沿曲线运动时其切线方向不断放射的电磁辐射造成能量的损失，电子感应加速器的能量提高受到了限制，极限约为100MeV。电子同步加速器使用电磁场提供加速能量，可以允许更大的辐射损失，极限约为10GeV。电子只有作直线运动时没有辐射损失，使用电磁场加速的电子直线加速器可将电子加速到50GeV，这不是理论的限度，而是造价过高的限制。

加速器的能量发展到如此水平，从实验的角度暴露出了新的问题。使用加速器作高能物理实验，一般是用加速的粒子轰击静止靶中的核子，然后研究所产生的次级粒子的动量、方向、电荷、数量等，加速粒子能参加高能反应的实际有用能量受到限制。如果采取两束加速粒子对撞的方式，可以使加速的粒子能量充分地用于高能反应或新粒子的产生。

1960年意大利科学家陶歇克（B.Touschek)首次提出了这项原理，并在意大利的Frascati国家实验室建成了直径约1米的AdA对撞机，验证了原理，从此开辟了加速器发展的新纪元。

现代高能加速器基本都以对撞机的形式出现，对撞机已经能把产生高能反应的等效能量从1TeV提高到10～1000TeV，这是加速器能量发展史上的又一次根本性的飞跃。