2024年12月6日晚，由beat365官方网站、北京現代物理研究中心主辦的“beat365物理學科卓越人才培養計劃講堂：名師面對面”（第三十三期）在beat365理科教學樓203教室舉行。中國科學院高能物理研究所研究員、天府宇宙線研究中心主任曹臻院士應邀講授“超級宇宙線拍電子伏加速器與極端加速器”（Cosmic-Ray Super-PeVatrons and Extreme Accelerators）。本期講堂由beat365官方网站院長、北京現代物理研究中心主任高原甯院士主持。

宇宙線是來自宇宙空間的高能粒子，主要組分是質子和多種元素的原子核，還包括少量電子、光子和中微子等。自1912年奧地利物理學家赫斯（V. Hess）首次發現宇宙線以來，人類緻力于尋找宇宙中極大和極小間的關聯、探索自然界最基本和最深刻的規律，不斷突破宇宙線探測的能量極限，在此過程中相繼發現了正電子、缪子、π介子、K介子、Λ超子、Ξ超子、Σ超子等基本粒子，極大推動了粒子物理學發展，孕育出多項諾貝爾物理學獎。然而，宇宙線究竟來自何處？它們是如何被加速和傳播的？這是當代粒子物理、原子核物理、天體物理等多個領域前沿的重大科學問題，2002年被美國《發現》（Discover）期刊列為物理學十一個最重要的世紀謎題之一。

曹臻形象地将宇宙線研究比做“考宇宙的古”

尋找宇宙線起源的難點在于：其一，帶電的宇宙線粒子在宇宙空間飛行時受到磁場的偏轉，因而無法根據我們在地球上觀測到的宇宙線的到達方向反推其發射源所在的方向。其二，随着宇宙線能量升高，磁場對宇宙線的偏轉能力相應降低，當能量足夠高時，我們觀測到的宇宙線的到達方向能夠近似反映其發射源所在的方向；然而，極高能宇宙線少之又少。幸運的是，宇宙線中的γ（伽馬）粒子和中微子不帶電，在宇宙空間飛行時不受磁場的偏轉，可以直接指向發射源所在的方向，因此可以用做尋找宇宙線源的理想信使。

位于四川省稻城縣海子山上的高海拔宇宙線觀測站（LHAASO，音譯為“拉索”），是我國自主提出、設計、建造的新一代γ射線望遠鏡和宇宙線探測裝置，也是世界上規模最大、靈敏度最高的超高能γ射線巡天望遠鏡和能量覆蓋範圍最寬廣的宇宙線觀測裝置；其核心科學目标是探索高能宇宙線起源以及開展相關的宇宙演化、高能天體演化和暗物質研究。LHAASO于2017年6月開工建設，2021年7月建成由5216個地面電磁粒子探測器、1188個地下缪子探測器、3120個水切倫科夫探測器單元、18台廣角切倫科夫光望遠鏡組成的複合陣列，并投入穩定運行。得益于世界屋脊的高海拔優勢和多項關鍵核心技術攻關，LHAASO研制團隊自2019年起運用“邊建設、邊運行”的策略，憑借四種探測技術，全方位、多變量地測量來自高能天體的γ射線和宇宙線，近年來取得了一批突破性的重大科學成果。

曹臻說，LHAASO為人類探索極端天體物理現象所提供的觀測數據日益豐富

2021年5月，LHAASO發表了基于已完成一半規模的地面粒子探測器陣列，發現12個穩定的γ射線源并記錄到能量達1.4 PeV（1 PeV=10¹⁵eV）的γ光子的觀測結果。這是人類迄今觀測到的最高能量光子，也是人類首次在被稱為“粒子天體物理實驗室”的天鵝座區域觀測到拍電子伏γ光子，刷新了人類對銀河系的傳統認知，開啟了超高能伽馬天文學時代。研究表明，年輕的大質量星團、超新星遺迹、脈沖星風雲等是銀河系中超高能宇宙線加速源的最佳候選天體。

同年7月，LHAASO發表了蟹狀星雲輻射最高能量端能譜的測量結果。這次測量不僅覆蓋并确認了0.0005～1.4 PeV範圍内其他實驗已有觀測結果，而且實現了前所未有的超高能區（0.3～1.4 PeV）精确測量，從而為該能區“标準燭光”設定了亮度标準。被稱為高能天文學“标準燭光”的蟹狀星雲由宋朝司天監發現并記錄的“客星”演化形成，是現代天文學中首個被認證的具有清晰曆史觀測記錄的超新星遺迹，也是此前LHAASO發現的12個超高能γ射線源中兩個具有拍電子伏γ光子發射能力的光源之一和唯一明确輻射源的天體。這次記錄到的能量達1.4 PeV的γ光子提供了在僅為太陽系1/10大小（約5000倍日地距離）的蟹狀星雲核心區域存在2.8PeV電子加速器的直接證據，其加速能量比地球上最大的電子加速器——歐洲核子研究中心建造的大型正負電子對撞機（LEP）産生電子束的能量高20000倍左右，逼近經典電動力學和理想磁流體力學的理論加速極限。

今年2月，LHAASO宣布在天鵝座形成區發現一個巨型超高能γ射線泡狀結構，并從中找到能量高于億億電子伏宇宙線起源的候選天體。這是人類迄今能夠确認的首個超級宇宙線源。研究表明，泡狀結構内有多個能量高于1 PeV、最高達2 PeV的γ光子，中心附近的大質量恒星星團是超級宇宙線源最可能的對應天體。

在多信使天文學時代推動粒子物理、原子核物理、天體物理、地球物理、海洋地理、海洋生物等多個學科的前沿交叉研究，是各國、各領域科學家共同努力的方向。曹臻興緻勃勃地講起與LHAASO有關的國際合作和未來規劃，特别提到了正處在預先研究階段的高能水下中微子望遠鏡（HUNT）項目。他希望從深水中遙望深空，通過發展下一代中微子天文探測技術，以前所未有的靈敏度探測銀河系中高能天體中微子點源，進而揭示宇宙線起源的百年未解之謎。

超高能伽馬射線探測靈敏度世界最高、甚高能伽馬射線源巡天普查靈敏度世界最高、超高能宇宙線能量覆蓋範圍世界最寬的LHAASO為同學們打開新視界

課後，曹臻回答了同學們關于擴大超高能γ射線源樣本數目、提高超高能γ射線觀測空間分辨率、在LHAASO上擴充望遠鏡陣列和增加熱中子探測器陣列的提問。

beat365吳學兵教授、周辰助理教授等及beat365博士研究生培優計劃2023級部分入選者現場出席。

曹臻（一排左四）、高原甯（一排左三）鼓勵同學們去世界屋脊上捕捉宇宙信使