美國宇宙線探測器還在設想，就已經落後中國二十年！ | 科技袁人_風聞

　　導讀

　　袁嵐峯和中國科學技術大學天文系特任教授楊睿智博士和中國科學院高能物理研究所青年研究員陳松戰博士兩位老師一起直播，介紹了最近“拉索”（高海拔宇宙線觀測站，Large High Altitude Air Shower Observatory，英文簡稱LHAASO）的重大成果。這是直播內容的第二集，第一集見：（《中國科學家收到“天外來信”，有可能是外星人嗎？| 科技袁人》）。

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　　本視頻發佈於2021年7月2****日，觀看量已達4.3萬

　　精彩再現：

　　探測宇宙線有哪些方法？

　　袁嵐峯（西瓜視頻科普創作者；中國科學院科學傳播研究中心副主任；中國科學技術大學科技傳播系副主任）：目前研究宇宙線有些什麼方法？為什麼要建拉索這麼一個東西？

　　陳松戰（中科院高能物理研究所研究員；LHAASO合作組物理分析協調人）：目前宇宙線，大概我們的宇宙線的探測其實就是，探測的方法剛才講的一個就是在太空我們放個衞星，後來我們在空間站上放一個探測器就直接探測宇宙線粒子，為什麼要跑到太空？就是因為我們為了逃避大氣對宇宙線的一個吸收或者轉變。我們的空間由於探測面積有限，所以説我們目前最大的也就是可能有一平米左右探測器，再大的話可能空間就沒位置，但是我們宇宙線流強隨着能量升高，大家剛才也講了流強越來越低，你要求的探測面積越來越大，這種更高能量就需要在地面探測，其實我們拉索就是地面探測器，這個地面探測器有一個問題就是因為有大氣阻擋所以源初的宇宙線在進入大氣中，它就會產生一個粒子會打出兩個粒子，兩個打出四個，就慢慢慢慢變多，變成很多粒子，所以我們在地面就探測源出粒子在大氣產生的次級粒子，就是我們拉索觀測技術。

　　但是其實我們地面探測也有很多方式，比如説我們探測宇宙線次級粒子，我們拉索其中有探測器直接探測次級粒子，還有次級粒子在空氣中傳播而產生契倫科夫光，所以我們可以看到契倫科夫光，能量更高的話，其實這個粒子在空氣中還可以把氮分子激發，會產生一個熒光，我們還可以探測宇宙線在大氣產生的熒光探測器，目前還發展一個新的技術就是這些粒子在大氣中傳播，因為有低磁場效應才可以採用射電輻射，所以我們可以通過射電也可以探測宇宙線。

　　袁嵐峯：這一會兒説了多少種探測的方法，這簡直把我們現在能夠想到的各種次級效應全都給探測一遍。

　　拉索與契倫科夫輻射探測器

　　袁嵐峯：這個也需要向大家解釋一下，契倫科夫是一個蘇聯的物理學家，但是發現又一件事情，我們平時都説物體運動速度不能超過光速的，但是這有個前提，説的是真空中的高速，它是一個固定值，就是大概每秒30萬公里，這個是任何東西都不能超過的。但是如果是在介質中的光速，比方説在玻璃裏邊，在水裏邊，在空氣裏邊，它那個光速是比真空當中光速是要低的，因為它是真空的光速除以它的折射率，所有這些介質折射率都是大於一的，比方説玻璃的折射率大概就是4/3，所以它那邊的光速比較低，但是一個實物的粒子，它運動速度可能還比較高，它可以超過這個介質當中光速。所以當出現這種情況就是一個東西運動速度超過介質當中光速，它會打出一個自己的光，那就是契倫科夫輻射，契倫科夫也因為這個而得了諾貝爾物理學獎。

　　袁嵐峯：契倫科夫輻射的探測器就是拉索核心的探測器之一，拉索裏邊有大量的好多的水，水契倫科夫探測器，是不是還有其他的也是用到契倫科夫的？

　　陳松戰：我們拉索大概有四種探測器，其中有三項跟契倫科夫有關。第一個就是我們新發現的一個指針，它有兩個，一個地上的一個地下的，我們地下就是埋了一個超聲水，超聲水就是高能的在水中穿透，產生契倫科夫光。當然我們還有另一個像一個很大的游泳池，放在游泳池的也是純淨水，這裏面也是高能粒子在水中產生了契倫科夫光。我們還有另一個望遠鏡，望遠鏡，它大概就是通過高能粒子在空氣中飛行速度，因為空氣中粒子也是接近光速，所以説比光在空氣的傳播速度要快，所以也是叫超光，它也產生契倫科夫光，我們這個大氣中產生契倫科夫光。所以説我們相當於有3/4的探測器都跟契倫科夫有關。

　　袁嵐峯：是，我是看了你們那個實驗原理，發現你們簡直就是靠契倫科夫吃飯，到處都是契倫科夫，但是尤其讓我感到震驚的是，竟然有空氣契倫科夫探測器，因為空氣的折射率已經非常接近於一了，空氣當中光速跟真空光速其實非常接近，然後你還需要一個東西跑得超級超級快，它才能超過空氣當中的光速，這個比在水中超過光速難度就要大多了。所以這樣能探測到的粒子應該是非常少，結果你們居然還能探測這麼一堆。

　　楊睿智：不是，其實並不是，這個探測到的粒子還是挺多的，因為次級粒子中的電子，因為電子質量很輕，所以它的洛倫茲因子都是很大的，所以它確實是可以發出契倫科夫光。所以其實很低能量的宇宙線也可以發出去大氣契倫科夫光，這種技術它的探測效率還是很高的。所以我們下一步也打算在拉索的賽特再建一個大氣契倫科夫望遠鏡，我們現有的契倫科夫望遠鏡，主要是看宇宙線的，我們打算再建一個用來觀測和拉索現有成果配合的，就是專門看高能伽馬射線的一個契倫科夫望遠鏡陣列。

　　中國宇宙線研究發展歷程

　　袁嵐峯：在宇宙線探測方面，我們國家已經經過多少代的發展了？這中間跟國外有哪些合作？現在普通人能不能去參觀拉索？

　　因為我們宇宙線的發展其實我們起步是比較早的，大概是我們在剛剛建國的時候，我們老一代科學家就提出來研究宇宙線，為什麼要研究宇宙線？其實當時還沒有加速器，大家發現新的東西的粒子還是靠宇宙線，就是天然的加速器來尋找。比如我們剛才講了就是我們的宇宙線第一個諾貝爾獎，宇宙線就是1936年，其實後面還有一個發現正電子也是在我們宇宙線探測中發現的，當然還有很多其他基本粒子都在我們宇宙線發現的，只不過後來加速器出現了，它打新粒子發現那個概率比我們高多了，所以我們宇宙線最後才不得不轉向天體方面。

　　大型強子對撞機

　　其實我們老一代科學家就是剛剛建國的時候就開始在大概一九五幾年的時候，在我們雲南落雪山就建成了第一個高山的宇宙線實驗室，那的海拔是3200米，這是我們第一代科學家，第一代還是專注粒子物理，當時他們還發現一個很新奇的奇特粒子，現在老一代科學家一直在跟着那個粒子，大概現在我們高能所有一個老的科學家大概是前幾天還給我們做報告，説從我們羊八井實驗數據來分析這種奇異的粒子結果，我們第二代大概就是在西藏羊八井建了我們的一個宇宙線觀測站，這兒我們從基本粒子研究轉向了宇宙線本身的一個物理研究，當時1989年是跟日本人合作的，在西藏羊八井海拔4300，就建了一個AS γ 實驗陣列，大概是從2000年我們又跟意大利合作，建了另一個陣列。

　　雲南落雪山宇宙線實驗站

　　羊八井國際宇宙線觀測站

　　我基本上是相當於從研究開始參與實驗數據分析的，它們兩個也都是要做伽馬射線天文，但是都面向的是伽馬天文。這個實驗它運動更低一點，大概是0.1個的伽馬射線天文。相當於説這是我們第一代、第二代的宇宙線陣列，拉索就像第三代的宇宙線陣列，我們拉索它的面積大概是比羊八井要更大，我們面積相當於AS γ 大概20倍，就是你的面積更大，你才能探測的能量更高，因為宇宙線流強很低。所以説相當於我們宇宙線陣列有三代了，大概是伽馬、到我們拉索，但是我們做宇宙線的人，因為我們我們是有四代了，大概我都是屬於第四代人，做宇宙線的人，他們屬於第三代。所以相當於是我們持續奮鬥了大概60年了，剛開始大家還吃不飽飯的時候都開始研究宇宙線。

　　袁嵐峯：這個是讓我特別感動的一點，我也去看過你們高能物理所的歷史，你會發現我們國家對老一輩科學家可以説是非常，就在50年代那時候啥都沒有的時候，他們就想到要建宇宙線的觀測站了，當然第一個那個名字叫做四川（雲南）落雪山，聽起來很有武俠小説的範兒，落就是落下大雪的落。

　　陳松戰：它是雲南落雪山，在雲南。

　　袁嵐峯：那個時候它就非常有戰略眼光，但是我想這可能是因為我們國家那時候沒有建設加速器的條件，所以你唯一能探測的就是宇宙線，但是總之他們抓住這個機會了，然後這裏面還有一位老先生的名字叫張文裕，這是高能所所長對吧？

　　陳松戰：對，我們第一任所長。

　　袁嵐峯：你們第一任所長就是他OK，張文裕他資歷非常非常老，他是楊振寧和李政道的老師，楊振寧和李政道1957年得了諾貝爾物理學獎的時候，張文裕他先是給他們發了一個賀信，他親自去了瑞典斯德哥爾摩到現場去為他們祝賀，當時他就提出來，他要請楊振寧和李政道回國來工作。這兩人當時都説非常感謝邀請，我們還想在美國再工作一段時間來增長自己的能力見識，在適當時機再回國，當然後來這個適當的時機就到了很久很久，最終他們確實也回來了給國家做出非常大的貢獻。所以這是我以前看過張文裕的故事，最近看到因為拉索的事情，又看到又是張文裕老先生，這老前輩他真是太不容易了，在這麼艱苦條件下，他們能夠選擇對他們來説最有利的一個途徑，能夠做出這麼多的成果，這真是非常了不起的。

　　袁嵐峯：拉索其實這次發佈的成果只是它一半探測期運行的結果，而且只是運行了11個月，但是它蒐集到的數據前所未有的多，比以前任何一個宇宙線探測器的都要多，所以它是在大量的數據當中，發現了少量的超高能粒子的成果，發佈出來了，就引起了一個轟動。所以説是它開創了超高能伽馬射線天文學的時代。當它的能力升級達到一個全工作狀態的時候，那時候會取得什麼樣的成果，當然更加令人充滿期待了。但實際上對於探測器來説，當它還沒有完全運行的時候就取得重要成果，這是常有的事。

　　比如説2016年發現引力波就是這樣的，發現引力波那個探測器叫做LIGO，激光干涉引力波探測儀，是美國做的。實際上LIGO它已經運行好多年了，之前它就叫做LIGO，運行了好多年始終什麼都沒有發現，以至於美國政府都不願意資助它了，所以説再給你們最後一次機會，如果再不成這個項目就關了。

　　激光干涉引力波天文台

　　但是他們自己也知道，因為按照他們計算，就是説在這個能量標註下，在這個精度下，發現引力波成果，希望本來就是很小，但是他們要做一個升級，變成高級的LIGO，把靈敏度提高10倍，結果剛剛升級完了之後，好像在幾天之內他們居然就探測到一次引力波，一下就轟動了，但這個對他們來説也算意料之中，因為這個能力提高了，當然就可以發現以前看不到的現象。所以剛一升級，然後立刻就，就好像打麻將你作為新手一樣，手氣總是最旺的，會有這樣一種感覺。

　　陳松戰：我補充一下你説手氣很旺，其實我們拉索大概是1/2陣列大概是2019年12月27號那一天運行的。大概我們看到第一個光子在2020年1月11號，我們剛運行不到半個月，我們就看到一個PV光子，所以説我們非常幸運也非常興奮的當時。

　　袁嵐峯：看到下一個這樣的光子又過了多久？

　　陳松戰：又過了將近有七八個月。

　　袁嵐峯：就是説第一個和第二個之間間隔還更長，所以你們飛快的就看到了第一個。但是這個讓你們大大的定了神，知道你們探測器做的是對的。

　　陳松戰：所以説看到這個東西之後，我們就需要想盡一切辦法穩定探測器不斷地運行。因為這個機會其實説白了還是一年就看到一兩個，你錯掉了可能就錯過了。

　　袁嵐峯：是的，能夠想象這是什麼樣的這麼巨大的以平方公里論的探測器一年就探測到一兩次。

　　陳松戰：當然我們的宇宙線這麼高能的宇宙線很多，就是光子很少。

　　袁嵐峯：是的是的。

　　拉索在國際上是什麼水平？

　　袁嵐峯：拉索現在國際上是個什麼水平？

　　陳松戰：其實我們宇宙線大概在高能超高能伽馬射線方面，我們剛才提了一個德國的Aharonian教授，他説我們拉索是一個未來的探測器，現在運行了，明白嗎？

　　袁嵐峯：超越時代的。

　　陳松戰：超越時代的，所以説在實踐上我們應該是國際領先的，而且是至少在我們可以預見的範圍內10年內、20年內應該是沒有人能超過我們。

　　袁嵐峯：因為別的國家還沒有提出一個像樣的設想，比這個更高的對吧？

　　陳松戰：對，我就簡單引用一下Aharonian教授的話怎麼説呢？他説是歐洲、日本、美國聯合啓動一個下一代的大氣切倫望遠鏡，他們當時説要看到，其中一個目標就是要看到100T的伽馬射線天文，就是100T的伽馬射線，當時他們提了一個大概是從兩千零幾年開始提出，大概預期2027年可能能建成這樣一個探測器。當時他們説要把伽馬射線探測能力推上100個TeV，相當於説他們啓動實驗還沒建成，但是我們現在建成的時間在100TeV的超高能區的靈敏度已經是他們的10倍以上。所以説像我們這麼在超高能區能提出來的實際上還沒有，因為一個提出到最後建成還有幾十年的時間，所以説我們應該説在可以預見的10年到20年內，我們拉索在超高能區應該是天下無敵的。

　　袁嵐峯：是的，剛才陳松戰老師説的100個TeV就是10的14次方電子伏特，而現在拉索是已經能夠做到10的15次方電子伏特。所以就是説美國提的，它是剛提出來它就已經落後了，它還沒建就已經落後了，因為它建成它能力也只是現在拉索的十分之一，至於10的15次方意味着他們還沒有設想，所以在可預見的未來，至少在他們提出一個更強的設想之前，拉索肯定是世界上探測的靈敏度最高的。

　　陳松戰：當然他們提出實驗，可能他們有一個是面向超高能區，他們還有TeV能區的，他們是一個定點觀測，他們的角分辨率比我們要好一點，所以説跟我們的探測器還是一個互補效應的。

　　袁嵐峯：你是説它們是一個什麼樣的觀測？跟我們是互補效應？

　　陳松戰：他們定點觀測，他們的角分辨率比較好。

　　袁嵐峯：所以他們的探測器也是有好處的是吧？

　　陳松戰：對，他們在TeV能區裏面都要比我們要高一點。

　　袁嵐峯：那很好，我們還是應該各個探測器大家都建，互相互補，這也是我想問的問題，拉索建成之後羊八井探測器還有什麼用處？它也是有它擅長的地方嗎？

　　宇宙線探測，中國從合作到獨立

　　陳松戰：其實我們做AS γ 實驗是日本人跟中國人有合作，現在我們其實只有小部分中國人在參與這個項目，大部分中國人在參與拉索項目，這個項目肯定是兩個獨立的項目，所以説不可能説拉索運行了你就要求他們不運行，只不過我們高所已經宣佈停止了羊八井運行，可能羊八井正在要轉移數據。

　　袁嵐峯：在宇宙天文方面科研實力怎麼樣？有沒有國外的學生來你們這兒學習？

　　陳松戰：首先我們剛才也講了，發展期間我們其實做拉索這幫同事基本上從原來跟意大利人合作，研究人員轉過來的，所以説我們剛開始在羊八井上主要是跟意大利的合作，目前其實我們拉索除了主體是我們國內大概有20多家國內單位，大概有3家國外合作單位，所以肯定是有俄國人、有泰國的、還有瑞士的、還有意大利的，還有剛才説Aharonian教授。

　　陳松戰：所以我們合作單位大概國外的有這麼多，你説這個來參與的，可能也就是他們這種可能要參與我們拉索實驗，現在學生因為我們語境，我們都是出的中文，所以説學生是有個別是有外國的，但是並不是太多。

　　楊睿智：我補充一下，陳松戰老師可能不知道，其實對這個感興趣的外國人是非常多的，我最近就招收了兩個，一個是英國的，一個是亞美尼亞的博後他們想過來，當然也會從事拉索相關的研究。但是由於疫情的原因，可能現在來中國，物理上來中國並不是特別容易，據我所知，包括拉索的參與單位，上海交大研究所那邊也是有一些外國的學生，包括他們剛招收了一個法國的教授過去，所以是這個項目在國際上影響力是非常大的，所以想參與的人還是非常多的。

　　陳松戰：其實我們去年面試了一個日本人，他來求職，來參加拉索實驗，他説這麼好我來求職，但是我們面試完也面試完通過了，但是突然來了一個疫情，結果他入職不了，最後他也放棄掉了。

　　楊睿智：對，所以其實科學研究上國際合作還是很常見，也是很重要的，我們也是肯定是歡迎這樣國際合作的，但是目前疫情導致國際合作可能遇到一些障礙。

　　袁嵐峯：感謝你們的介紹，這讓我產生一個感覺，基本途徑説這是我們國家宇宙線探測剛剛開始進入領跑這樣一個階段，已經是有很多外國人這也很感激，但是需要一個過程，相信逐漸的外國留學的人會多起來。

　　陳松戰：目前其實還有很多外國人他們申請參與我們拉索數據的解讀分析，其實有很多跟我們拉索人合作來做我們數據分析的解讀工作。

　　袁嵐峯：是的，我想一個新的科學中心，它肯定是這樣一個逐步的建設成，肯定得有一個新的探測的儀器，新的數據，新的人員進來，一步步的科學中心向那轉移，這是一個自然而然的過程。非常感謝兩位老師的解讀。