3月28日，記者從中國科學院高能物理研究所獲悉，位於甘孜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，量測了“膝”區宇宙線能譜的變化，並首次在該能量區域內，觀測到宇宙線核子成分的平均質量分佈呈現出的“肘”狀結構。

“膝”是宇宙線的能譜（宇宙線數量在粒子能量上的分佈）在4千萬億電子伏附近呈現出的一個拐折結構，形狀類似人體膝關節，“膝”的成因之謎困擾科學家近70年。此次發現提供了新線索，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》）上線上發表。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”的覈心科學目標。

宇宙線的能譜，就像一把解答宇宙線起源之謎的“鑰匙”，其變化密切關聯著宇宙線的起源及其穿越宇宙空間的管道。此前，“拉索”在全球首次找到能量高於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麼高能量，讓能量從“膝”以下，升高到“膝”的10倍。

那麼，“膝”從何而來？馮存峰介紹，現時主要的一類模型，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生拐折；還有一類模型認為，其與宇宙線核子的質量數相關，當宇宙線能量超過一定閾值後，會打開一種新的反應道或產生新的粒子，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：“可以量測宇宙線不同成分在‘膝’處的能量。”然而，科學家至今得到的“膝”區宇宙線成分的資料有限，囙此，這些模型還都屬於“假說”，需要更多成分量測資訊對它們進行驗證。

解析宇宙線“碎片”

當高能宇宙線穿透大氣層到達地球時，與大氣分子發生碰撞並碎裂，只留下零散的“碎片”落入探測網。借助這些“碎片”，可以推算出原初粒子的資訊。

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。這樣的複合式地面粒子探測器陣列，能很好地捕捉到“碎片”訊號，包括帶電的電磁粒子和穿透力極强的繆子。

張恒英介紹，捕捉到大量“碎片”後，研究團隊在“膝”區宇宙線簇射發展的極大處，通過組合電磁粒子和繆子資訊，實現“量能器”式能量量測，顯著降低了地面間接實驗中能量量測對宇宙射線成分和相互作用模型的依賴，大幅提高了能量量測的精度，給出了現時國際上最準確的“膝”區宇宙線能譜量測結果。同時，構造了一個對宇宙線平均質量敏感的“秤”，精確稱量了“膝”區宇宙線的平均質量，揭示了“膝”區宇宙線平均質量譜中前所未有的“肘”狀結構。

“我們還發現，在能譜中發生拐折的宇宙線，主要由氫核和氦核等輕質成分構成。”張恒英說。可以說，此次成果為科學家研究“膝”區宇宙線的起源開闢了新的途徑，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”。（記者文露敏）