3月28日，記者從中國科學院高能物理研究所獲悉，位于四川省甘孜藏族自治州稻城縣的高海拔宇宙線觀測站“拉索”（LHAASO）在宇宙線起源探索上又取得一項關鍵進展——以前所未有的精度，測量了“膝”區(qū)宇宙線能譜的變化，并首次在該能量區(qū)域內(nèi)，觀測到宇宙線核子成分的平均質(zhì)量分布呈現(xiàn)出的“肘”狀結(jié)構(gòu)。

　　“膝”是宇宙線的能譜（宇宙線數(shù)量在粒子能量上的分布）在4千萬億電子伏附近呈現(xiàn)出的一個拐折結(jié)構(gòu)，形狀類似人體膝關節(jié)，“膝”的成因之謎困擾科學家近70年。此次發(fā)現(xiàn)提供了新線索，被審稿人稱為“領域重要的里程碑”，為進一步揭開宇宙線起源之謎打開新大門。

　　3月26日，相關文章以編輯推薦亮點文章的形式在《物理評論快報》（《Physical Review Letters》）上在線發(fā)表。該工作由中國科學院高能物理研究所牽頭的“拉索”國際合作組完成。論文通訊作者為中國科學院高能物理研究所研究員張恒英、何會海，以及山東大學前沿交叉科學青島研究院粒子科學技術研究中心教授馮存峰。

　　“膝”為何重要？

　　宇宙線是從外太空來的帶電粒子，如同夜空中的流星，不斷以驚人的高速撞擊著地球，它的起源是當代天體物理學最重大的前沿科學問題之一，也是“拉索”的核心科學目標。

　　宇宙線的能譜，就像一把解答宇宙線起源之謎的“鑰匙”，其變化密切關聯(lián)著宇宙線的起源及其穿越宇宙空間的方式。此前，“拉索”在全球首次找到能量高于1億億電子伏的宇宙線的起源天體，正是以“膝”為標——人類第一次在銀河系找到能量超過“膝”的宇宙線源，也就意味著，有天體把宇宙線加速到這么高能量，讓能量從“膝”以下，升高到“膝”的10倍。

　　那么，“膝”從何而來？馮存峰介紹，目前主要的一類模型，認為“膝”與宇宙線核子的電荷相關，比如，宇宙線源的加速能力存在上限，從而導致宇宙線能譜在上限處發(fā)生拐折；還有一類模型認為，其與宇宙線核子的質(zhì)量數(shù)相關，當宇宙線能量超過一定閾值后，會打開一種新的反應道或產(chǎn)生新的粒子，引起宇宙線能量耗散速度加快，導致能譜的拐折。

　　如何檢驗這些“答案”？馮存峰說：“可以測量宇宙線不同成分在‘膝’處的能量。”然而，科學家至今得到的“膝”區(qū)宇宙線成分的資料有限，因此，這些模型還都屬于“假說”，需要更多成分測量信息對它們進行驗證。

　　解析宇宙線“碎片”

　　當高能宇宙線穿透大氣層到達地球時，與大氣分子發(fā)生碰撞并碎裂，只留下零散的“碎片”落入探測網(wǎng)。借助這些“碎片”，可以推算出原初粒子的信息。

　　坐落在海拔4410米的稻城海子山上的“拉索”，部署了包括5216個電磁粒子探測器和1188個繆子探測器組成的一平方公里地面簇射粒子探測器陣列、7.8萬平方米水切倫科夫探測器陣列以及18臺廣角切倫科夫望遠鏡。這樣的復合式地面粒子探測器陣列，能很好地捕捉到“碎片”信號，包括帶電的電磁粒子和穿透力極強的繆子。

　　張恒英介紹，捕捉到大量“碎片”后，研究團隊在“膝”區(qū)宇宙線簇射發(fā)展的極大處，通過組合電磁粒子和繆子信息，實現(xiàn)“量能器”式能量測量，顯著降低了地面間接實驗中能量測量對宇宙射線成分和相互作用模型的依賴，大幅提高了能量測量的精度，給出了目前國際上最準確的“膝”區(qū)宇宙線能譜測量結(jié)果。同時，構(gòu)造了一個對宇宙線平均質(zhì)量敏感的“秤”，精確稱量了“膝”區(qū)宇宙線的平均質(zhì)量，揭示了“膝”區(qū)宇宙線平均質(zhì)量譜中前所未有的“肘”狀結(jié)構(gòu)。

　　“我們還發(fā)現(xiàn)，在能譜中發(fā)生拐折的宇宙線，主要由氫核和氦核等輕質(zhì)成分構(gòu)成。”張恒英說。可以說，此次成果為科學家研究“膝”區(qū)宇宙線的起源開辟了新的途徑，是宇宙線研究領域的重大突破。未來，“膝”的成因乃至宇宙線的起源，有望加快“解密”。