拉索能發現超高能粒子，加速器就不需要建了嗎？ | 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。這是直播內容的第三集，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》）；第二集見：（《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》）。

視頻鏈接：

西瓜視頻：

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本視頻發佈於2021年7月4****日，觀看量已達4.5萬

精彩再現：

中國有”哈勃望遠鏡“計劃嗎？

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）**：現在我們來回答一些觀眾在彈幕當中的問題。第一個有意思的問題是説，問我們國家的哈勃望遠鏡會什麼時候搞？誰來回答一下？

楊睿智**（LHAASO合作組成員；科學技術大學天文學系特任教授）**：這個我不知道能不能説。我就簡單説一下，因為我們國家是有空間光學天文望遠鏡的計劃，就是和哈勃類似當然比它要先進了，因為畢竟是我們有20年的後發優勢，預期在空間站，空間站大家知道吧？空間望遠鏡會在天宮空間站旁邊伴飛，預計什麼時候發射，好像還沒有一個明確時間表，不過按照我們國家做這個工程的速度來説肯定應該是很快的，不會像美國的一樣拖了好幾十年，應該可能是近幾年就會做成了這個事情。關於哈勃還有個八卦不知道大家知道不知道，它好像這次是壞了，就是前幾天，哈勃壞了。

袁嵐峯：它的電腦現在沒法修了？

楊睿智：電腦太陳舊了，主要就是因為它這個用的還是，它上面控制系統控制的電腦用的是486芯片，30多年前40年前的技術，所以好像現在遇到了一些問題，昨天重啓了不知道現在有沒有修好。

袁嵐峯：實際上以前我和周炳紅老師、劉勇老師[3] 他們講我們國家空間站的時候就已經説到，我們空間站會伴隨着好多科學的項目，其中最重要一個就是伴隨着空間站伴飛的望遠鏡，然後呢它如果出了毛病，這個空間的航天人員還可以出去修一下。現在哈勃望遠鏡就悲劇了，哈勃望遠鏡以前都是航天飛機派人上去，但是航天飛機現在全退役了，所以哈勃望遠鏡現在沒法修了，它如果修不好真是太可惜了。所以我們的這個空間站旁邊望遠鏡現在是修好了嗎？現在建好了嗎？就等着發射還是説還在建？

楊睿智：據我所知應該是還在建。但是我們國家建這些項目是很快的。

袁嵐峯：我們滿懷期待。

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）：其實我們拉索項目國外參與的，參觀之後對我們拉索中國的建設速度非常震驚，就説你們建的太快了，人家建十幾年，結果我們幾年內把拉索這麼大一個項目就建起來了。

袁嵐峯：所以怪不得叫做超越時代的探測器，他們那邊還在商量這邊已經建完了。

陳松戰：説到空間站，其實我們高能所還有一個宇宙線探測器也要放在空間站上，就是HERD探測器，我們高能所參與主導的，應該是一個在空間站上直接探測宇宙線的裝置，在直接探測方面的靈敏度應該也是達到國際領先的。

袁嵐峯：你是説要放在我們國家那空間上嗎？

陳松戰：對，我們國家的空間站上。

袁嵐峯：它直接對標對象應該是阿爾法磁譜儀咯？

陳松戰：它沒有磁鐵。

楊睿智：相當於應該和磁譜儀它也是各有優勢的，磁譜儀它的優勢在於它有磁鐵，所以它的電荷測量能力是非常強的，它可以把各種核素包括同位素的能譜都測出來，但它的弱點就是它非常小。我們剛才也提到了高能粒子是隨着能量增加粒子數粒子密度衰減得非常快，所以它也只能覆蓋到非常有限的能量，它可能就到TEV，10的12次，也就是千萬分之一焦耳能段，再往上就無能為力了。但是我們的HERD它的面積是比較大的，它應該是平方米量級的，這個應該是比AMS（阿爾法磁譜儀）-02大100倍左右，所以它是主要關注的能段也是在PeV及以上的能段，它是一個直接測量的宇宙線。

袁嵐峯：它是會鋪開在這個空間外邊，還是在空間站倉裏面？

楊睿智：是在一個貨倉裏，當然探測器肯定是要放在外面，它那個位置是貨倉的位置，就是放在貨倉上還是怎麼樣，我具體也不是太清楚。

袁嵐峯：反正有了這個空間站，我們有好多實驗就可以到太空裏面，這個還是讓人很高興的。

月球上能不能建射電望遠鏡？

袁嵐峯：有個人問這個是比較靠譜的問題，月球上能不能建射電望遠鏡？這個回答肯定是可以，這肯定也是我們的目標之一。

楊睿智：月球上可以建射電望遠鏡，但是拉索這種探測器它是建不了的，因為我們拉索特點就是要利用大氣作為一個target，宇宙線打到大氣上產生次級粒子，我們探測到這些次級粒子才能探測到宇宙線，月球上沒有大氣，所以是做不了拉索這種類型的探測器，但是月球上可以做其他類型的探測器。

陳松戰：像空間站一樣。

楊睿智：就像悟空衞星或者是AMS02阿爾法磁譜儀那種探測器，如果可以做很大很大放在月球上當然是可以的，不過這個價錢是難以想象了。

袁嵐峯：月球上探測宇宙線它那個，就沒有遮擋，會直接打到探測器上，就是不同原理的探測器。

楊睿智：沒錯，對。月球上作為天文觀測的一個優勢在於我們現在放空間的地方，都可以放到月球上去，就可以相應的把體積做大，但是經濟投入還是非常可da’gai觀的。

袁嵐峯：但是它肯定是我們的遠期目標之一，因為中國現在確實明確的宣佈要在月球上建一個長期的科研基地，所以如果建好在上面肯定要放這些儀器的。

高能粒子是如何加速的？

袁嵐峯：這次捕獲到的高能粒子只是確定來自天鵝座，並不知道是怎麼加速的，是這樣嗎？

陳松戰：應該是這樣，我們只能説大概從天鵝座某一個核心區，但是它怎麼加速的，其實還是我們科學上一個在研究的問題，第一個我們要找到起源的地方，第二個下一步就是説它怎麼加速的，才可以進一步研究。

袁嵐峯：是，但是現在這些發現至少可以證偽一些理論，就是以前提的一些理論，現在至少可以證明那些理論是錯的，可以否定一些理論，剩下一些理論大家還在那兒爭，是這樣一個狀態吧？

楊睿智：這個也不能説證偽了一些理論。這個只是確定了我們進一步研究的一個區域，我們將來可以用，包括我剛才提到的計劃中的契倫科夫望遠鏡陣列，因為它是有更好的角分辨，我們就可以把這個結構看得更清楚，具體定位到底是哪個天體來的，可以做這個事情。知道是哪個天體來了之後，就可以對加速機制進行一些更細緻的研究。

我看彈幕中還有人還有同學問是這些這麼高能的光子是怎麼產生的？我説這些質子的產生機制其實也是有一些説法的，有一些假説的，現在一般認為它來自於基波加速，基波就是爆炸中會產生那種比它的傳播速度比聲速要高的那種。

袁嵐峯：超音速的波，就好比一個超音速飛機，它突破音速的時候會產生一個聲障。

楊睿智：它擾動的傳播速度超過光速超過聲速，就在這種結構的周圍，如果按照現在的理論基波的前沿是有磁場的，它可以束縛住宇宙線，讓它反覆穿越基波前沿，然後就可以不斷地獲得能量，那就慢慢的會加速很高的能量。但是之前一般的看法認為基波加速最有效場景就是超新星遺蹟，就是超新星爆發後，它的拋射物還會在星際空間中一直的膨脹，拋射物膨脹的過程就是超聲速的，所以它前沿就會有基波產生。所以一般認為在這個區域是宇宙線加速最好的場所，但是之前的一些對超新星儀器的觀測也表明似乎已知的非常年輕的超新星儀器並不能產生這麼高能量伽馬射線。我們現在定位的區域就是天鵝座X-1[4] 或者説天鵝座這個區域，並沒有很年輕的超新星，但是它是有很強的脈衝星的，而且這個區域是有很多大質量的恆星的，所以確實有可能有之前爆發過的超新星遺蹟，但是目前沒有被看到。

另外就是大質量恆星，它的星風與大質量恆星，我們知道恆星質量很大的時候比太陽大100倍大幾十倍的時候，它會吹出很強的風，就是星風，恆星風。其實我們太陽也是有這樣一個物質拋射的過程，太陽也是不停往外吹太陽風的，但是這些大質量恆星它風的速度和動能都要比太陽大，它的速度大概是要大30倍，拋射物的質量是要大幾個數量級。

所以綜合起來看那些大質量恆星，恆星風的能量可能要比太陽風能量要大7-8個量級甚至更多。所以這種大質量恆星新風，它周圍也會形成基波，也可能是一種宇宙線現在加速的起源，但是這些問題目前我們現有的數據還是無法分辨的，有待進一步研究。這就是目前的一個研究現狀。

袁嵐峯：剛才楊睿智老師説到超新星遺蹟讓我想起一件事情，我們這次拉索的成果其實有兩個最典型的，一個是天鵝座，另外一個是蟹狀星雲，實際上它整個實驗當中用來定標那個標準燭光，就是蟹狀星雲。 

中國古代天文學貢獻

袁嵐峯：蟹狀星雲對於中國人來説應該是特別特別的熟悉，因為它就是整個中國古代對於世界天文學最大的一個貢獻，就是宋朝的時候發現的超新星爆發，宋朝1054年，曾經看到過天上出現一個特別特別明亮跟太陽一樣亮的東西，以至於白天都能看見，但是在很快的一段時間之內就看它逐漸暗淡下來，過幾個月之後它就變成一個普通的星星，我們現在把它叫做蟹狀星雲，因為你很明顯看到它那個形狀就像一個螃蟹的，現在它都仍然是一個天文學非常重要的觀測對象，這次實際上是我們在銀河系裏邊確定有12個源，它可以發出這種能量達到10的15次方電子伏特量級的光子，其中第一個就是蟹狀星雲，能發出能量最高的是天鵝座。所以這次高能物理所發的通告，或者説它畫的藝術圖，下面是一個拉索探測器，上面左邊就是蟹狀星雲，右邊就是天鵝座的星圖，所以畫了一個螃蟹和一個天鵝。

袁嵐峯：蟹狀星雲它就是一個超新星的遺蹟對吧？

楊睿智：蟹狀星雲確實是超新星遺蹟，但是我們認為現在觀測到的這種高能伽馬射線，包括高能到超高能伽馬射線輻射，主要是來自於它羽翼中的很小一部分，就是來自於其中的脈衝星周圍的脈衝星風雲，它這個尺度要比超新星遺蹟更小一點。

袁嵐峯：所以就是説雖然是來自蟹狀星雲，但是並不是來自於超新星的遺蹟，而且來自脈衝星對吧？

楊睿智：沒錯。

陳松戰：對，它應該是脈衝性的風雲，就是脈衝星吹出新風跟介質作用有可能是這樣，但是現在其實這個理論還是不太清楚的具體怎麼樣。

楊睿智：沒錯，尤其是我們目前，我們拉索在更高的能量看到了一點，可能和這種傳統理論的一些背離，可能有一些新的科學在裏面，當然這就期待我們的下一篇文章，即將發表在《Science》上，可以向大家宣傳一下。

袁嵐峯：很期待我們在理論上做出新的突破。

楊睿智：我再補充一點，剛才袁老師説到我們中國古代天文學的貢獻，楊老師特別提到了蟹狀星雲，其實在我們高能、甚高能伽馬射線天文這個圈子裏，還有一個源也是同樣的重要，那個源叫1713，它在南天，很遺憾我們拉索看不見，但是這個源也是個超新星遺蹟了，這個源年齡的確定就是根據我國古代的天文文獻是宋書天文志，不是宋朝的宋，是南朝宋齊梁陳的宋，是南朝的宋的天文志它的記載，來把這個源的年齡給定下來，這個對輻射機制的研究也是非常重要的一項貢獻，這個源其實是一個非常非常亮的源，如果我們人眼可以看到伽馬射線的話，它應該是天空中最亮的源，在T位波段，在甚高能伽馬射線波段是天空最亮的源，而且它非常大，它比月亮還要大三倍大概。這是我們國家古代天文學對當代天文學的另一個非常重要的貢獻。

袁嵐峯：它名字怎麼叫1713？乍一聽1713我還以為是年份但是你説的是南朝宋。

楊睿智：對，南朝宋大概是公元400多年，300多年，300多年還是400多年（420年-479），它的年齡四世紀，年齡大概1700年，這1713的名字是根據它的座標來的，天文學中的一些普遍的慣例，如果它沒有一個傳統的名字，就用它的座標來命名。在我國宋詞天文志上也並沒有給它起一個非常響亮的名字，只是記錄了這一起超新星爆炸的事例。

有拉索還需要建加速器嗎？

袁嵐峯：有好多人對於發現超高能粒子他的第一反應就是説那是不是説明地球上就不需要建加速器了？因為人類建的反正都不如天上這些粒子。

陳松戰：我先説一下我的觀點，其實我們宇宙線剛開始發現的時候我們來幹什麼？就做加速器現在做的事兒，但是最後我們加速器來了之後，就把我們宇宙線在粒子物理這個作用就替代了，所以説不能説我們看到這麼高能粒子就可以替代加速器，這兩個面向的物理是不一樣的，加速器肯定是產生不了這麼高能的粒子，這麼高能研究還是靠宇宙線，但是説研究基本的粒子物理作用模型什麼產生新粒子的，可能還是加速器更高效一點，畢竟天體來的粒子太少了，你想集中大量還是加速器在這個領域應該是更有作為。

袁嵐峯：楊老師？

楊睿智：沒錯，我覺得陳老師説的很有道理，加速器和宇宙線相比，它的特點就是它的流量可以非常大，雖然它的能量現在達不到宇宙線這個量級，但它的流量是非常大的。我們知道在研究加速器研究物質基本相互作用的時候它有一些過程，它的反應截面是非常小的，就是説你必須用非常大的流量才能撞出來幾個你想要的事例，這個事情宇宙線是做不到的。還有一個就是即使在我們宇宙線研究中，比如説剛才陳老師也提到了，我們宇宙線現在研究中它用的做法是使用宇宙線和大氣中原子相互作用，產生次級粒子，去反推入射宇宙線的一些信息，所以反推過程中其實我們就用到了很多標準模型的東西，這個標準模型就是前人根據加速器上的一系列進展來做出來的。所以這兩者確實應該是一個互補的關係，並不是説我們現在宇宙線看到了這麼高能量宇宙線，就可以不做加速器物理了，這肯定是不對的。

袁嵐峯：我可以補充一下，外行往往以為能量是越大越好，實際上我以前對於加速器的理解也是這樣，你有了高能量那個低能量還有什麼用，但是最近我才忽然發現一個就是即使你看起來很低能的加速器也是有用的，比如説中國的最早的一個加速器叫做北京正負電子對撞機，那是剛剛改革開放的時候，李政道先生向鄧小平建議要做的，鄧小平拍板説我們應該建這麼一個東西，當然它主要的目的是為了培養人才，因為那時候中國整個高能物理的人才都沒多少，因為這個錢都斷了頓了嘛。好不容易把這個建起來，它那個能量比那時候還是要低很多，你説這麼一個東西能有什麼用？除了有教育的目的之外，可是就是這麼一個能量很低的加速器，它居然也做了一個很有價值的科學成果，它精確測量了τ子的質量，這個τ子是一種粒子了，是一種輕子，這讓我感到很納悶，我去問高能物理的專家説為什麼這個東西要輪到北京正負電子對撞機來測量？回答是這樣的説你要精確測量一個粒子質量，前提是要打開粒子的速度非常慢，它動能接近於0，然後你達到大量這樣的粒子這樣測的最準，就需要你那個能量剛好是在這個粒子對應的那個質量附近是最好的，所以北京正負電子對撞機設計的時候就是這樣，它就是跟τ子的質量是最接近的，所以它能把τ子信號測的最準，比那些能量比它高得多的那些加速器實際上是反而更準。所以這就告訴我們任何一個加速器都是有它的用處的。不但是加速器跟宇宙線之間是一個互補的關係，而且不同的能量高低的加速器也是一個互補關係，每一個科學儀器都是有它的用處的。這就是為什麼我們前面談到你有了拉索之後，羊八井仍然是有用的，所以現在各地其他那些能量比較低的探測器也仍然是有用的，大家都可以提供不同側面的科學信息。所以外行以為有了一個高的其他的全都不需要了，這是典型的外行看法。

袁嵐峯：好，非常感謝我們觀眾提的這麼多有意思的問題，既有非常專業的問題，又有非常腦洞的問題。當然也要感謝我們楊睿智、陳松戰兩位老師無論什麼樣的問題，都給出了非常專業的解答，我想我們觀眾也是受益匪淺，也非常感謝我們觀眾對於我國高能物理的發展有這麼深厚的興趣。我們不但是經常要奔向星辰大海，我們在地面上也可以接受很多星辰大海的信息，經常有很多科學發現跟大家分享。隨着幾個月之內我們拉索達到全功率運行，所有探測器都會上線，將來肯定會不斷的會有更多更重要的科學成果跟大家分享。感謝大家。

楊睿智：謝謝大家，大家再見。

陳松戰：再見。