2024年12月6日晚，由太阳成集团tyc234cc、北京现代物理研究中心主办的“太阳成集团tyc234cc物理学科卓越人才培养计划讲堂：名师面对面”（第三十三期）在太阳成集团tyc234cc理科教学楼203教室举行。中国科学院高能物理研究所研究员、天府宇宙线研究中心主任曹臻院士应邀讲授“超级宇宙线拍电子伏加速器与极端加速器”（Cosmic-Ray Super-PeVatrons and Extreme Accelerators）。本期讲堂由太阳成集团tyc234cc院长、北京现代物理研究中心主任高原宁院士主持。

宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子，主要组分是质子和多种元素的原子核，还包括少量电子、光子和中微子等。自1912年奥地利物理学家赫斯（V. Hess）首次发现宇宙线以来，人类致力于寻找宇宙中极大和极小间的关联、探索自然界最基本和最深刻的规律，不断突破宇宙线探测的能量极限，在此过程中相继发现了正电子、缪子、π介子、K介子、Λ超子、Ξ超子、Σ超子等基本粒子，极大推动了粒子物理学发展，孕育出多项诺贝尔物理学奖。然而，宇宙线究竟来自何处？它们是如何被加速和传播的？这是当代粒子物理、原子核物理、天体物理等多个领域前沿的重大科学问题，2002年被美国《发现》（Discover）期刊列为物理学十一个最重要的世纪谜题之一。

曹臻形象地将宇宙线研究比做“考宇宙的古”

寻找宇宙线起源的难点在于：其一，带电的宇宙线粒子在宇宙空间飞行时受到磁场的偏转，因而无法根据我们在地球上观测到的宇宙线的到达方向反推其发射源所在的方向。其二，随着宇宙线能量升高，磁场对宇宙线的偏转能力相应降低，当能量足够高时，我们观测到的宇宙线的到达方向能够近似反映其发射源所在的方向；然而，极高能宇宙线少之又少。幸运的是，宇宙线中的γ（伽马）粒子和中微子不带电，在宇宙空间飞行时不受磁场的偏转，可以直接指向发射源所在的方向，因此可以用做寻找宇宙线源的理想信使。

位于四川省稻城县海子山上的高海拔宇宙线观测站（LHAASO，音译为“拉索”），是我国自主提出、设计、建造的新一代γ射线望远镜和宇宙线探测装置，也是世界上规模最大、灵敏度最高的超高能γ射线巡天望远镜和能量覆盖范围最宽广的宇宙线观测装置；其核心科学目标是探索高能宇宙线起源以及开展相关的宇宙演化、高能天体演化和暗物质研究。LHAASO于2017年6月开工建设，2021年7月建成由5216个地面电磁粒子探测器、1188个地下缪子探测器、3120个水切伦科夫探测器单元、18台广角切伦科夫光望远镜组成的复合阵列，并投入稳定运行。得益于世界屋脊的高海拔优势和多项关键核心技术攻关，LHAASO研制团队自2019年起运用“边建设、边运行”的策略，凭借四种探测技术，全方位、多变量地测量来自高能天体的γ射线和宇宙线，近年来取得了一批突破性的重大科学成果。

曹臻说，LHAASO为人类探索极端天体物理现象所提供的观测数据日益丰富

2021年5月，LHAASO发表了基于已完成一半规模的地面粒子探测器阵列，发现12个稳定的γ射线源并记录到能量达1.4 PeV（1 PeV=10¹⁵eV）的γ光子的观测结果。这是人类迄今观测到的最高能量光子，也是人类首次在被称为“粒子天体物理实验室”的天鹅座区域观测到拍电子伏γ光子，刷新了人类对银河系的传统认知，开启了超高能伽马天文学时代。研究表明，年轻的大质量星团、超新星遗迹、脉冲星风云等是银河系中超高能宇宙线加速源的最佳候选天体。

同年7月，LHAASO发表了蟹状星云辐射最高能量端能谱的测量结果。这次测量不仅覆盖并确认了0.0005～1.4 PeV范围内其他实验已有观测结果，而且实现了前所未有的超高能区（0.3～1.4 PeV）精确测量，从而为该能区“标准烛光”设定了亮度标准。被称为高能天文学“标准烛光”的蟹状星云由宋朝司天监发现并记录的“客星”演化形成，是现代天文学中首个被认证的具有清晰历史观测记录的超新星遗迹，也是此前LHAASO发现的12个超高能γ射线源中两个具有拍电子伏γ光子发射能力的光源之一和唯一明确辐射源的天体。这次记录到的能量达1.4 PeV的γ光子提供了在仅为太阳系1/10大小（约5000倍日地距离）的蟹状星云核心区域存在2.8PeV电子加速器的直接证据，其加速能量比地球上最大的电子加速器——欧洲核子研究中心建造的大型正负电子对撞机（LEP）产生电子束的能量高20000倍左右，逼近经典电动力学和理想磁流体力学的理论加速极限。

今年2月，LHAASO宣布在天鹅座形成区发现一个巨型超高能γ射线泡状结构，并从中找到能量高于亿亿电子伏宇宙线起源的候选天体。这是人类迄今能够确认的首个超级宇宙线源。研究表明，泡状结构内有多个能量高于1 PeV、最高达2 PeV的γ光子，中心附近的大质量恒星星团是超级宇宙线源最可能的对应天体。

在多信使天文学时代推动粒子物理、原子核物理、天体物理、地球物理、海洋地理、海洋生物等多个学科的前沿交叉研究，是各国、各领域科学家共同努力的方向。曹臻兴致勃勃地讲起与LHAASO有关的国际合作和未来规划，特别提到了正处在预先研究阶段的高能水下中微子望远镜（HUNT）项目。他希望从深水中遥望深空，通过发展下一代中微子天文探测技术，以前所未有的灵敏度探测银河系中高能天体中微子点源，进而揭示宇宙线起源的百年未解之谜。

超高能伽马射线探测灵敏度世界最高、甚高能伽马射线源巡天普查灵敏度世界最高、超高能宇宙线能量覆盖范围世界最宽的LHAASO为同学们打开新视界

课后，曹臻回答了同学们关于扩大超高能γ射线源样本数目、提高超高能γ射线观测空间分辨率、在LHAASO上扩充望远镜阵列和增加热中子探测器阵列的提问。

太阳成集团tyc234cc吴学兵教授、周辰助理教授等及太阳成集团tyc234cc博士研究生培优计划2023级部分入选者现场出席。

曹臻（一排左四）、高原宁（一排左三）鼓励同学们去世界屋脊上捕捉宇宙信使