曹臻 白云翔 著
四川科學技術出版社

想獲得該書的讀者可以在后臺留言，寫下與本書試讀內容有關的體會，留言點贊前9名的讀者將獲贈該書一本。截止時間是5月12日早8點，10點會公布9位獲獎者名單。期待您的參與！

內容簡介

“拉索”是我國自主規劃建設的重大科技基礎設施，以“探索宇宙線起源”為核心科學目標，是當前國際宇宙線領域最為卓越的科學設施，也是目前世界上靈敏度最高的伽馬天文探測裝置，位于四川省甘孜州稻城縣海拔4410米的海子山。拉索不僅在科學探索上取得了重大突破，還通過技術創新為未來的科學研究提供了重要的技術支持和平臺，是中國高能物理發展50載結出的碩果，是中國基礎科學發展的里程碑。

本書以拉索艱辛的建設歷程和重大科技成果為主線，不僅深入淺出地講解了宇宙線和相關探測技術的科學知識及拉索取得的重大科學發現，解讀了科研人員如何通過測量宇宙線來探索高能宇宙的奧秘。同時還介紹了我國宇宙線研究如何從“零”起步，經歷跟跑、并跑直到引領的非凡蛻變，生動描繪了我國三代宇宙線學人朝著國際前沿接力奔跑的奮進篇章，特別是他們勇于叩問蒼穹、敢于挑戰“不可能”的科學探索精神和深厚的家國情懷。

本書通過拉索的故事，為我們展現了中國科學家在國際學術舞臺上日益重要的角色和貢獻，讓每一位懷揣科學夢想，矢志追求科學真理的讀者，都能從中汲取科學的力量，體會科學的美妙，感受中國科技迸發的智慧和能量。

作者簡介

曹臻中國科學院院士，中國科學院高能物理研究所研究員，國家重大科技基礎設施“高海拔宇宙線觀測站LHAASO”首席科學家，享受國務院政府特殊津貼專家，四川天府新區宇宙線研究中心主任，西南交通大學顧問教授。自1994年起活躍于國內外宇宙線和伽馬天文領域，參與多個國際知名宇宙線實驗，領導和設計了多個大型實驗及其探測裝置，并實施了相關探測器的研制。取得多項重要成果，在國際專業刊物發表了120多篇科學論文，總引用量超過5500次。曾任國際純粹與應用物理聯合會（IUPAP）粒子天體物理委員會（C4）成員、粒子天體物理國際委員會（WG10）成員。

白云翔中國科學院高能物理研究所高級工程師、“拉索”工程辦主任，天府宇宙線研究中心常務副主任。長期從事高能物理實驗研究和大科學設施戰略研究，相繼參加中國首臺超高能宇宙線的τ中微子望遠鏡（CRTNT）的研制，參加“十二五”國家重大科技基礎設施高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）工程、“十三五”科教基礎設施宇宙線物理與探測技術平臺建設，在核心期刊發表多篇文章。

購書鏈接：

章節試讀

發現最高能量光子和首批“PeVatron”

2021年5月17日，一則“天鵝座來信”的新聞在一日之間沖上熱搜頭條，由官方發布的新聞點擊量高達2.7億，而來自自媒體的各種解讀消息更是鋪天蓋地。網友們焦急地問：“難道我們暴露了嗎？” “天鵝座來信”似乎讓人感受到了外星文明的威脅，更有網友提醒高能所的專家：“不要回答！不要回答！！不要回答！！！”

這封“天鵝座來信”不是別的，正是天體物理學家尋找的拍電子伏級伽馬光子。天鵝座是銀河系盤面上的一個北天星座，其名稱來源于拉丁化希臘單詞“swan”。天鵝座是北方夏秋季最容易辨認的星座之一，拉索探測到的最高能量光子便來自天鵝座的恒星形成區。

從美國的CGRO衛星到中國的拉索

沖上熱搜的這一則重磅新聞，是尚在建設中的拉索通過部分投入運行的陣列在銀河系發現了1.4?PeV的超高能光子，刷新了人類從宇宙中探測到的光子能量紀錄。如果大家對1.4?PeV沒有概念，我們可以簡單回顧一下人類對伽馬光子能量探測極限的發展過程。

1989年，美國亞利桑那州惠普爾天文臺成功發現了首個具有 0.1?TeV（1 TeV=10 12 ?eV）以上伽馬輻射的天體，標志著甚高能（一般指100?GeV ～ 100?TeV）伽馬天文學時代的開啟。20世紀90年代，美國發射的康普頓伽馬射線天文臺（Compton?γ-Ray?Observatory，CGRO）衛星探測器開啟了吉電子伏級伽馬天文學時代，進一步打開了人類認識宇宙的眼界。注意，這里的伽馬光子能量是吉電子伏（吉電子伏即GeV，1?GeV=10 9 ?eV）。2019年，我國羊八井觀測站發現蟹狀星云可以輻射出能量高達450?TeV的伽馬光子。2021年初，羊八井觀測站刷新了自己創造的紀錄，探測到了957?TeV的光子，馬上就要突破1?PeV大關（1?PeV=10 3 ?TeV=10 15 ?eV）。沒過幾個月，紀錄再次被刷新——拉索發現1.4?PeV光子。科學家們用30年的時間，將人類的探測能力從吉電子伏級提高到拍電子伏級，百萬倍的跨越，紀錄保持者從美國的CGRO到中國的拉索。從某種意義上說，超高能光子的發現是人類探索宇宙邊界的又一次大踏步拓展。

CGRO 探測器

CGRO探測器于1991年4月5日發射升空，在軌觀測近10年，于2000年6月4日退役，它是繼哈勃空間望遠鏡之后第二個被發射到太空的望遠鏡，是美國國家航空和航天局（NASA）“大天文臺”計劃的組成部分，該計劃中還包括錢德拉X射線天文臺和斯皮策空間望遠鏡（圖片來源于NASA）。

拉索的這一發現被國際上一致認為是宇宙線研究進入了“超高能伽馬天文學”時代的標志。自從1989年惠普爾天文臺發現超過 0.1?TeV?伽馬輻射以來，在隨后的30年里，超過200多個甚高能伽馬射線源被陸續發現。直到2019年，人類才探測到首個具有超高能（能量高于100?TeV）伽馬射線輻射的天體。出人意料的是，僅有1/2規模的拉索陣列，通過11個月的觀測，就將探測到的超高能伽馬射線源數量激增到了12個，尚未完全“睜眼”的拉索，就已經展示出了強大的發現潛力。可以預見，隨著拉索持續不斷的數據積累，這一探索極端宇宙天體物理現象的最高能量天文觀測重器，將給我們展現一個充滿新奇現象的未知超高能宇宙。

天上有很多“PeVatron”

基于甚高能伽馬天文學的積累，開展伽馬天文學進一步的研究，就需要收集足夠多的超高能伽馬源樣本，并按其輻射行為進行分類，這樣才會發現其規律。如果對源的能譜和源區多波段詳細觀測的樣本過少，就難以在規律性和特殊性之間做出正確判斷。拉索以此為出發點在高能段形成絕對的巡天觀測優勢，大批量發現伽馬射線源。與此同時，拉索還需要對伽馬射線源做深度成像觀測、大范圍的能譜測量和盡可能寬廣的多波段觀測研究，徹底弄清伽馬射線的輻射機制，判選出強子“宇宙加速器”。能量達到100?TeV的伽馬射線對應的父輩強子宇宙線能量超過1?PeV，搜尋這個能量之上的高能輻射天體是伽馬天文學研究的新熱點。

拉索探測到的12個拍電子伏級加速器和最高能量光子示意圖

12 個源均分布于銀盤，直接說明這些高能活動來自銀河系內，最高能量光子來自天鵝座。

“PeVatron”是高能物理領域的專有詞，指可以將能量加速到PeV級（即拍電子伏級）水平的“宇宙加速器”。我們知道，這樣的加速器只能到天上去找。天鵝座恒星形成區是銀河系在北天區最亮的區域，這里聚集著大量的大質量恒星，總質量達到太陽質量的數萬倍。大質量恒星產生的強烈星風，速度可達數千千米每秒。在這樣相對狹小的空間里，來自相鄰大質量恒星產生的星風互相猛烈撞擊，造成天鵝座恒星形成區復雜的強激波、強湍流極端環境，成為“天然的粒子天體物理實驗室”，天體物理學家要找的超高能“宇宙加速器”——PeVatron，極有可能出現在這一區域。

拉索這次發現中的12個源均分布在銀河系的銀道面上，1.4?PeV的超高能光子來自于天鵝座的“天然的粒子天體物理實驗室”。這次發現，揭示出銀河系內普遍存在能夠將粒子能量加速超過1?PeV的“宇宙加速器”，加速能力遠超當前人類加速的極限，其源頭所處的極端環境中，必然有著我們尚未掌握的知識。

一般認為，有兩種情況可能產生超高能伽馬光子。一種是高能質子與氣體介質中的質子碰撞。這種方式產生的伽馬射線能量約為高能質子能量的10%，因此產生超高能伽馬射線需要能量大于1?PeV的質子。當一個能量約為1?PeV的質子與源內或源周圍的物質產生碰撞時，會損失一部分能量，并產生兩個能量為其10%左右的伽馬光子。還有一種可能是源區產生的高能電子和源周圍的背景光 子碰撞，大量分布在周圍的低能光子可以獲得能量。產生能量大于100?TeV的超高能伽馬光子，需要電子能量在0.3?PeV以上。超高能伽馬光子與宇宙中的PeVatron有直接關聯，而后者是高能天文物理學領域長期尋找的重要目標。

在拉索能夠有效觀測到的伽馬射線源中，所有的天體能量都在0.1?PeV以上的超高能區有伽馬輻射，而且這些天體的伽馬射線能譜在0.1?PeV以上沒有截斷，一直延伸到1?PeV附近。這說明銀河系不僅不存在之前普遍認為的宇宙線加速拍電子伏級極限，而且我們頭頂的天空有很多PeVatron，有些加速能力甚至超過10?PeV。

在這12個源中，包含了我們熟知的蟹狀星云、天鵝座恒星形成區等，對這幾個伽馬天文領域著名的天體此前有持續的、多波段的觀測。然而，當時國際上的主流探測器能探測到的粒子能量在0.1?PeV以下，難以在如此高能量的區域開展具有絕對靈敏度的探測，難以有效確認拍電子伏級的“宇宙加速器”，拉索的發現對這類天體的傳統理論解釋提出了嚴重的挑戰。

伽馬天文學頭頂的“烏云”

開展高能伽馬天文學研究，需要建造地基探測器，國際上用于伽馬天文學的地面設施有切倫科夫成像望遠鏡和大型地面陣列，例如位于納米比亞的高能立體望遠鏡系統（HESS）、位于西班牙加那利群島的大氣伽馬切倫科夫成像望遠鏡（MAGIC）、位于美國亞利桑那州的超高能輻射成像望遠鏡陣列系統（VERITAS）、位于中國的廣延大氣簇射陣列（ASγ）和全覆蓋探測陣列（ARGO-YBJ）兩個實驗、位于墨西哥的高海拔水切倫科夫觀測計劃（HAWC）等。通過幾十年的努力，這些設施已經發現了大量伽馬射線源，最高探測能量達到了百太電子伏級水平，而今，拉索將此限度提高了10倍以上，至拍電子伏級以上。已經發現的這些伽馬輻射源中，有超新星遺跡、大質量星團、高速轉動的脈沖星產生的風云等，這些天體都可以輻射高能伽馬射線。在拉索發現的12個超高能伽馬射線源所在的位置或源的附近，存在脈沖星、超新星遺跡等已知天體。

海子山變幻莫測的天氣

脈沖星是快速自轉的磁化中子星，由恒星演化和超新星爆發后產生，這類天體具有超短轉動周期、高溫、高密、強引力場、強磁場的特征，是宇宙空間中極端環境的典型代表。目前已發現的脈沖星超過4000顆，其中有900顆為我國FAST所發現。很多快速旋轉的中子星有強磁場，可以吹出由正負電子對組成的脈沖星風，這些極端相對論性的脈沖星風撞擊在超新星拋射物上形成激波，并進一步加速電子，產生多波段的輻射，形成脈沖星風云。最著名的脈沖星風云蟹狀星云也在此次觀測到的12個源之中。拉索探測到的蟹狀星云最高光子能量為1.1?PeV。根據之前的研究，蟹狀星云由被加速的電子產生，拉索測到的1.1?PeV光子對現有的粒子加速理論提出了挑戰。

理解這些拍電子伏級光子，除了加速機制上的挑戰，還有來自于傳播機制上的困難。

宇宙空間中存在各種來源的低能光子。宇宙大爆炸百億年之后，整個宇宙中彌漫著3?K背景輻射光子。當能量在拍電子伏級以上的光子遇到宇宙微波背景輻射中的這些低能光子時，就會發生湮滅，并產生正負電子對。從理論上推斷，能量超過70?EeV（70000?PeV）的質子或能量在1?PeV以上的伽馬光子會與宇宙微波背景輻射相互作用而被吸收，彌散微波背景輻射就好像一堵墻，將人類賴以探索早期宇宙的伽馬射線中超高能的部分擋住了。也就是說，在銀河系之外即使到處都是超高能伽馬輻射，我們也接收不到。作為一個銀河系的“公民”，我們測量到的宇宙線在超過 70?EeV（7×10 19? eV）以后，會明顯看到能譜截斷的現象，我們稱之為GZK截斷 。因此，拉索看到的最高能量光子需要有更多的解釋。從另外一個層面來說，拍電子伏級光子就是人類探索宇宙的邊界與前沿，也是探索極高能現象的前沿，任何超出這些“極限”的現象，無論是1?PeV的伽馬射線還是70?EeV?的宇宙線，宇宙中這些具有“特殊身份的信使”，讓物理學家的頭頂時不時地飄來一朵 “烏云”，因為這意味著基本物理規律可能被撼動。

探測伽馬光子，就像大海撈針

在宇宙線的成分中，不帶電的伽馬光子占極少數。在以伽馬光子為探測對象的宇宙線研究中，帶電的宇宙線粒子是我們不希望出現的本底噪聲，然而，這個本底要比伽馬信號高出4～5個數量級，如何有效排除帶電宇宙線粒子噪聲成為伽馬天文學觀測的關鍵。

在拉索本次找到的PeVatron周圍，產生的超高能伽馬光子信號非常弱。以我們熟悉的被稱為伽馬天文學“標準燭光”的蟹狀星云為例，從蟹狀星云輻射出來的能量超過 1?PeV的高能伽馬光子，在一年內落在地球上1平方千米范圍內的也就1～2個，而這1～2個光子還被淹沒在數以萬計的帶電宇宙線粒子的“汪洋大海”之中。拉索就是要從“粒子海”中挑出伽馬光子，這需要拉索有很強的伽馬識別能力，這種識別能力會最終影響探測器的最核心指標——靈敏度。

高能所和施普林格·自然集團（Springer Nature）聯合發布會現場

拉索采用的方法是通過測量空氣簇射中次級粒子中的繆子識別伽馬粒子。因為帶電宇宙線粒子形成的簇射中富含繆子，而伽馬產生的簇射中幾乎沒有繆子。拉索在收集到的大量宇宙線事例中挑選沒有繆子的事例，從強大的本底噪聲中找到極為稀少的伽馬光子信號。拉索的繆子探測器陣列有4萬平方米的靈敏面積，是世界上最大的繆子探測器陣列，在超高能段擁有“零本底”的宇宙線背景排除能力，拉索也因此成為目前最靈敏的超高能伽馬探測裝置。

在統計觀測中，通常超出5倍標準偏差的觀測被視為有效觀測，可以被認定是一次確鑿的“發現”。拉索僅11個月的觀測，累計觀測靈敏度就超過了ASγ實驗7年的水平，12個源的輻射超出均在7倍標準偏差以上，最高的源可以達到18倍標準偏差，遠超5倍標準偏差的有效觀測門檻，這一次的觀測結果是拉索伽馬探測靈敏度指標的一次完美驗證。

1 PeV類宇宙線事例（左）和1 PeV類伽馬事例（右）觸發探測器所形成的圖像

方形信號點是觸發的電磁粒子探測器，圓形信號點是繆子探測器，可以看出宇宙線事例的繆子數量明顯多于伽馬事例，不同顏色代表不同大小的信號。

拍電子伏級光子的探測是伽馬天文學的一座里程碑，是伽馬天文學發展的強大驅動力，承載著伽馬天文學界長久以來的夢想。直到拉索建成，人類才最終登上了拍電子伏級這座險峰，并有機會眺望從未抵達的遠方。拉索在天鵝座恒星形成區首次發現拍電子伏級伽馬光子，使得這個本來就備受關注的區域成為超高能宇宙線源的最佳候選者。同時，通過超高能伽馬探測發現了一批PeVatron。雖然我們尚未搞清楚這些高能粒子是如何被加速到如此之高的能量的，但我們已經知道它們在哪里，未來更加深入、細致的觀測和理論研究，將把我們引到超高能宇宙線起源這個“終極”目標前，并揭開它的神秘面紗。無論在追逐這個更大夢想的征程中會有怎樣的驚喜，有一點是肯定的——在未來的十幾年里，拉索將會有更多的新發現，不斷引領我們撥開未知世界的迷霧。

目錄

01 上窮碧落——人類探索宇宙線的奧秘

神秘的宇宙

星空下的先行者

?古籍《文獻通考》中關于1054年天關客星的記載

?蟹狀星云觀測史

在氣球飛行中的驚天發現

無處不在、無時不有的“粒子陣雨”

宇宙線是福還是禍？

宇宙線的神秘面紗

宇宙線來自何方

追宇宙里的光

02 仰望星空——我國宇宙線研究的前世今生

開啟中國宇宙線觀測時代

我們不是“從零開始”

從落雪山到念青唐古拉山

?云南東川落雪山宇宙線實驗室

?西藏甘巴拉山高山乳膠室

?念青唐古拉山羊八井宇宙線觀測站

再上高山，向宇宙要答案

03 十年一劍——拉索的建立

什么是拉索

必須占有一席之地

拉索選址難

拉索為什么如此“高、大”

?圣境的探星征途：稻城

?別人工作叫上班，我們工作叫“上山”

世界屋脊上的高能宇宙“天陣

?電磁粒子探測器陣列

?繆子探測器陣列

?水切倫科夫探測器陣列

?廣角切倫科夫望遠鏡陣列

拉索巡天的等候與迎接

?荒原變成熱土

04 星火燎原——拉索精神的鑄造與傳承

再闖無人區

挑戰高海拔

不熄的燈火，不睡覺的我們

?同一個“星空下”的我們

?既然選擇了，就堅持下去——電磁粒子探測器陣列

?決不將就——繆子探測器陣列

?苦中有樂——啃水切倫科夫探測器這塊硬骨頭的人

?去星辰大海——廣角切倫科夫望遠鏡的“護眼人”

?通用技術部——為拉索“供氧、輸血”

?數據平臺技術部——從不高反的拉索“大腦”

?時鐘同步系統——給“雨滴”授時

拉索的詞典沒有“不可能”

新視界，新使命

這不是一個“STOP”，而是一個“START”

05 群星璀璨——開啟超高能伽馬天文學時代

發現最高能量光子和首批“PeVatron”

?從美國的CGRO衛星到中國的拉索

?天上有很多“PeVatron”

?伽馬天文學頭頂的“烏云”

?探測伽馬光子，就像大海撈針

發現來自“宇宙燈塔”的超高能伽馬輻射

?至和元年，客星出天關東南

?再一次刷新“中國超新星”伽馬光子能量探測的紀錄

?填補標準燭光的超高能輻射空白

捕捉大質量恒星死亡瞬間爆發的“宇宙煙花”

?“亮瞎眼”的猛烈爆發導致多數探測器瞬間“失明”

?穿越24億光年，一束極窄噴流產生的伽馬光“照亮”了地球

?來自遙遠宇宙的高能光子引發“認知風暴”

發現宇宙中能量超1 PeV的大尺度“伽馬泡泡”

?天鵝座，大質量恒星的“生死輪回”

?超高能“伽馬泡泡”中隱藏著的“宇宙加速器”

?2.5 PeV光子，超過“膝區”的宇宙線到底從哪里來

?巨型“伽馬泡泡”內部的電磁環境比預期復雜

拉索的四項技術創新

?高精度多節點遠距離時鐘同步系統“小白兔”——同步精度達0.2納秒

?“無觸發”數據獲取系統——實現高達4 GB/s宇宙線事的“零死時間”觀測

?硅光電倍增管首次在切倫科夫望遠鏡上大規模使用——成倍提高望遠鏡有效觀測時間

? 20英寸微通道板型光電倍增管——大幅提升大靈敏面積光電倍增管的時間測量精度

06 星辰大海——中國科學院高能物理研究所大科學設施矩陣

北京正負電子對撞機

北京同步輻射裝置

中國散裂中子源

大亞灣反應堆中微子實驗

江門中微子實驗

硬X射線調制望遠鏡

高能同步輻射光源

羊八井宇宙線觀測站

阿里原初引力波探測實驗

引力波暴高能電磁對應體全天監測器

中國空間站高能宇宙輻射探測設施

增強型X射線時變與偏振空間天文臺

后記

拉索科學發現年表

參考文獻

《物理》50年精選文章