高能所博展馆

宇宙线科普知识

1.1 宇宙线是什么？

宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子，主要由质子和多种元素的原子核组成，并包括少量电子、中微子和光子。1912年，被奥地利科学家赫斯首次发现。

1912年，奥地利物理学家赫斯(Victor Franz Hess，1883-1964)乘坐的气球升空达5350米，发现宇宙线

20世纪30年代，科学家发现了宇宙线在地球磁场中存在偏转效应，他们根据偏转的方向推断出宇宙线主要是由带正电的高能粒子组成。

如今，人类可以利用卫星或高空气球直接到大气层顶部，利用先进的粒子鉴别技术对原初宇宙线进行直接测量。我们现在知道宇宙线是来自宇宙深处的高能粒子(少数来自太阳爆发事件)，其中含量最高的是质子（即氢原子核），其次还有元素周期表中从氦到铁元素中的多种原子核，它们共同构成宇宙线的最主要成分，同时，宇宙线中还包含少量光子、电子、中微子以及反粒子等。

1.2 宇宙线起源—世纪之谜

绝大多数宇宙线为带电粒子，在传播过程中会在星际磁场中发生偏转，到达地球时失去了原初的方向信息，无法反推源的方向。至今人类仍未确定高能宇宙线起源，无法证实其产生机制及加速原理。宇宙线的起源问题是世纪之谜，是新世纪需要解答的与宇宙有关的难题之一。

目前，科学家们普遍认为宇宙线主要是极端天体条件下的产物，如超新星爆发及其遗迹星云、脉冲星、大质量星团、伽马射线暴等。在极端天体中寻找宇宙线的起源证据也成为当前国际大型宇宙线实验的核心科学问题。在宇宙线的发源地，同时也会产生中性粒子高能伽马射线和高能中微子，因此，通过高能伽马射线天文和高能中微天文是目前寻找宇宙线起源的重要手段。

宇宙线携带着宇宙起源、天体演化、太阳活动及地球空间环境等重要科学信息，研究宇宙线及其起源是人类探索宇宙的重要途径。

带电宇宙线、高能中微子、高能伽马射线传播示意图

1.3 如何探测到宇宙线？

宇宙线的能量分布从10⁹eV（相当于北京正负电子对撞机束流粒子能量）到10²⁰eV（相当于现今最大人工加速器所产生粒子能量的百万倍）不等，除了10¹⁰eV以下的宇宙线受太阳系磁场影响外，其它的宇宙线呈简单的幂律分布，即流强随能量升高而快速下降，跨度达30个量级。

在10¹¹eV处，每平方米每秒有一个宇宙线粒子，在这个能量附近可以将探测器放在卫星或高空气球上，在大气层顶部对宇宙线进行直接探测，但是随着能量升高，流强下降，如在10¹⁸eV能量左右处，每平方公里每年才有一个宇宙线粒子，对于这么稀少的宇宙线，需要在地面用更大的探测器进行间接探测。

宇宙线流强随能量变化图

1.4宇宙线研究的历史

通过宇宙线的研究，人们发现了大量的基本粒子，人类重新认识了身边的物质世界，新的发现催生了新的学科，开创了粒子物理这个新领域，也称为高能物理。关于宇宙线的研究至今产生了5枚诺贝尔奖。

1.5国际上宇宙线研究基地

通过对来自源区的极高能宇宙线粒子、高能中微子或高能伽马射线的测量来寻找高能宇宙线起源，成为国际宇宙线研究的支柱，形成了现有或在建的国际四大宇宙线研究中心。

位于四川稻城的高海拔宇宙线观测站（LHAASO）将与其他代表当今宇宙线研究三大手段的实验形成互补，挑战宇宙线起源的世纪之谜。

极高能宇宙线实验Auger

欧洲的伽马天文定点观测装置MAGIC

中微子天文实验IceCube

美国HAWC实验

中国高山宇宙线实验研究

中国的宇宙线实验研究经历了三个阶段，高海拔宇宙线观测站（LHAASO）是第三代高山宇宙线实验室。高山实验是宇宙线观测研究中能够充分利用大气作为探测介质、在地面进行观测的手段，探测器规模可远大于大气层外的天基探测器。对于超高能量的宇宙线，这是唯一的观测手段。

云南落雪山宇宙线实验站

1954年，中国第一个高山宇宙线实验室在海拔约3200米的云南东川落雪山建成。先后安装了多板云室、磁云雾室和大云室组，利用宇宙线开展高能物理研究。1972年落雪山宇宙线实验室观测到一个质量大于12GeV的“可能的重粒子事例”，获1978年全国科学大会重大成果奖、1987年全国自然科学三等奖。

云南站外景

1965年大云室建成时留影。前排右4为钱三强

西藏羊八井国际宇宙线观测站

西藏羊八井国际宇宙线观测站（Yangbajing International Cosmic Ray Observatory）由中日合作的广延大气簇射阵列（ASγ）和中意合作的全覆盖探测阵列（ARGO）组成，是国际四大超高能γ天文和超高能宇宙线研究基地。

中日合作ASγ实验

中日合作ASγ实验

1989年，在海拔4300米的西藏羊八井启动了中日合作的宇宙线实验，1990年建成一期阵列，是当时国际上唯一达到10TeV阈能的地面探测器阵列。1996年开始建设的二期加密阵列将阈能降到了3TeV，成为地面阵列中第一个观测到蟹状星云TeV光子辐射的实验，随后还观测到河外活动星系核Mrk501和Mrk421在TeV能区的耀发，为研究天体的高能辐射机制提供了重要观测数据。

ASγ二期加密阵列

中日合作ASγ实验发现宇宙线的各向异性分布以及围绕银河系中心旋转的证据，2006年发表于美国《科学》杂志，并被誉为“里程碑”式的成果

中意合作ARGO实验

2000年，中意ARGO实验启动。ARGO-YBJ实验在万平方米实验大厅内，铺设6700平方米的阻性板探测器（RPC）阵列，在宇宙线实验历史上首次实现对空气簇射的全覆盖测量。ARGO-YBJ实验具有全天候、宽视场的特点，为当时国际上最灵敏的地基伽马射线巡天望远镜，2007年底开始国际上最灵敏的巡天观测。已在伽马射线天文、宇宙线物理、粒子物理、日地空间环境多个方向取得重要物理成果。2013年，该实验停止运行。

ARGO万平米实验厅

ARGO-YBJ认证首个TeV伽马射线“超泡”ARGOJ2031+4157的辐射天图

（ApJ,790:152,2014）

高海拔宇宙线观测站

3.1 项目概况

国家“十二五”重大科技基础设施

高海拔宇宙线观测站（LHAASO），是以宇宙线研究为核心的大型综合基础科学研究平台，2015年12月获批立项，建设站址位于四川稻城海子山，平均海拔4410米，是我国大科学装置在西南地区的重要建设布局。

挑战宇宙线起源世纪之谜

LHAASO的核心科学目标是探索高能宇宙线的起源和加速机制，研究相关的宇宙演化和高能天体演化，寻找暗物质。LHAASO对超高能伽马射线探测具有世界最高的探测灵敏度和最强的巡天能力，被美国天文十年规划列为国际领先的伽马观测装置，并设为其追赶的目标。LHAASO与国际上已有的三大宇宙线实验形成优势互补，共同挑战宇宙线起源的世纪之谜。