探寻"世纪之谜"——高能宇宙线起源

自1912年发现宇宙线已近100年了,但宇宙线的起源之谜依然困扰着物理学家,因而被列为21世纪的11大科学难题之一.对甚高能γ射线天文学的研究最有希望在未来10～20年内揭开宇宙线起源之谜,我国宇宙线研究领域的物理学家因此提出了在海拔4300米的西藏雪域高原上建造"大型高海拔空气簇射观测站"(LHAASO)的计划,冲击"世纪之谜".     

LHAASO在宇宙线物理中的里程碑意义

高海拔宇宙线观测站(Large High Altitude Air Shower Observatory, LHAASO)是110年来人类研究宇宙线最大的实验装置之一,核心的科学问题是寻找宇宙线的起源,不但要探测超高能(ultra-high energy, UHE)伽马射线源,还要精确测量地球附近带电宇宙线的成分和能量分布,系统地研究宇宙线的加速与传播.其首批科学发现就开创了UHE伽马天文学领域,展现出银河系丰富多彩的宇宙线加速源的候选天体,奠定了发现宇宙线起源的良好基础,指明了随后探索宇宙线加速机制、传播效应等精确研究的方向,同时也对现有的理论和模型提供了精确检验的机会与挑战. LHAASO的发现,对其后宇宙线、伽马天文、中微子天文等方面的未来实验研究提出了明确的要求.本文综述了我国大科学装置LHAASO及其科学发现意义,介绍了其在宇宙线研究中的历史作用,并对未来的发展做出了展望.     

宇宙线起源中物理学前沿问题

宇宙线是由奥地利物理学家赫斯在1912年高空气球实验中发现的.此后,人们在宇宙线的研究中发现了众多的基本粒子及其相互作用规律,中微子振荡的最早发现也来自太阳中微子和大气中微子实验.迄今为止,人们所知道的最高能量的粒子也来自于宇宙线的观测.宇宙线的起源、加速和传播是一个世纪科学问题,从中诞生了高能伽玛天文学、高能中微子天文学和极高能宇宙线天文学.目前,人们已经发现了为数众多的电子加速源,但作为宇宙线成分中最为主要的核子,其起源问题依然没有解决.精确测量宇宙线核子的成分和能谱,观测和研究高能伽玛射线、高能中微子及极高能宇宙线的产生地点和相关机制,有助于解决宇宙线的起源问题.此外,这些研究也是间接探测暗物质粒子,研究宇宙演化和新物理学规律的重要手段.     

超高能宇宙线从何而来?

宇宙线是来自外太空的唯一物质样本,携带着粒子物理、高能天体物理、宇宙物质组成及其演化的丰富信息.已知的宇宙线粒子最高能量约为3×10~(20) eV."宇宙线是如何被加速的?""其起源天体是什么?""在这样的高能情况下,已知的物理学规律是否还能适用?"等这些都是有待解决的重大科学问题.为此人们通过多种实验手段在空间和地上开展宇宙线的多信使研究.在过去的几十年里,宇宙线、伽马射线和中微子观测取得了丰富的成果:(1)宇宙线能谱、成分和各向异性的测量精度达到了史无前例的水平,极高能宇宙线的偶极各向异性表明这些粒子来自银河系之外;(2)空间实验发现了3000多个GeV伽马源,地面实验发现了近200个TeV源,它们大多为高能电子源,有几个已被认证为强子源;(3)冰立方实验发现了近百个高能中微子,它们的各向同性分布暗示着河外起源.这些新结果为解决宇宙线的起源问题和发展相关的粒子加速理论奠定了基础.新一代更高灵敏度的实验装置的建设和运行正在开启宇宙线粒子天体物理研究的新篇章.     

太阳中子事件的观测特征与中子能谱的计算

太阳中子事件是与耀斑活动相关的偶发性即刻粒子事件, 主要表现为地面宇宙线探测装置的计数瞬时突增. 太阳中子携带着爆发源区的物理信息: 耀斑大气的元素组成、大气高度、磁场的会聚程度以及磁流体湍动等. 相对于其他带电粒子, 中子能够不受太阳磁场和行星际磁场的束缚而直达地面. 目前, 对太阳中子事件的理论研究, 主要是通过蒙特卡罗模拟, 考虑太阳耀斑环中磁场的螺旋角散射作用和磁镜效应, 计算耀斑磁环模型里各向异性中子的产生与太阳大气高度、时间、角度和能量间的关系, 计算逃逸中子的角分布和能谱, 以及逃逸到地球附近中子的能谱. 观测方面, 主要是结合地面中子监测器记录的超出时间与空间探测到的g射线核谱线发射峰值的时间差, 利用飞行时间方法(Time of Flight Method), 考虑中子监测器的探测效率和中子在地球大气中的衰减因素, 反演日面处的中子能谱. 本文依据已确定的10例太阳中子事件, 评述基本的观测特征, 介绍相应的观测仪器, 探讨太阳中子能谱计算的两种方法(观测法和模型法), 比较不同方法获得的计算结果; 并依托羊八井太阳宇宙线探测装置(中子监测器、太阳中子望远镜), 报道对太阳中子的初步交叉探测特征(1998年11月28日GLE事件和2005年1月20日GLE事件), 指出目前亟待解决的问题.     

什么是暗物质?

虽然暗物质的存在已经得到了大量的天文观测的支持,但暗物质的属性是什么仍然是个未解之谜.近期暗物质探测的实验和理论研究均取得了长足的进展.本文从暗物质问题的提出讲起,介绍了暗物质的基本特点和可能的粒子物理候选者,之后详细介绍了暗物质研究的最新进展.(1)暗物质研究的早期历史.从星系旋转曲线、引力透镜、微波背景辐射等方面介绍了暗物质的观测证据,特别是暗物质丰度起源的标准热退耦理论机制和典型的暗物质粒子候选者,如弱相互作用有质量粒子等.(2)暗物质粒子的实验探测的基本原理和手段,如地下直接探测和空间间接探测等.重点综述了近期实验研究的进展.在地下直接探测方面综述了10 Ge V以下轻质量暗物质的探测实验:Super CDMS(super cryogenic dark matter search),CDEX(China dark matter experiment)等,以及大质量暗物质探测中的液氩探测器Dark Side等.(3)暗物质未来的碰撞方向性探测实验,如DRIFT(directional recoil identification from tracks),MIMAC(MIcro-tpc MAtrix of Chambers)等.在空间间接探测方面介绍暗物质湮灭到宇宙线粒子中涉及到的宇宙线粒子产生和传播的基本理论.(4)已有的实验,如Fermi-LAT(Fermi large area telescope)和AMS(Alpha magnetic spectrometer)-02在高能宇宙线电子和核子方面已经取得的成果,特别是近期DAMPE(dark matter particle explorer)卫星实验的首个结果中看到的正负电子总流强中的新现象和疑似反常现象以及AMS-02的反质子结果对暗物质搜寻的影响.展望了未来在反核子,如反氘和反氦方面可能取得的结果及其对暗物质研究的重要性.     

ARGO-YBJ：丰富多彩的宇宙线观测*

经过5年的稳定运行,ARGO-YBJ实验积累了4 000多亿个宇宙线事例样本,利用这些宝贵的数据获得了许多重要的科学研究成果。笔者将总结ARGO-YBJ对宇宙线研究领域的贡献,包括宇宙线能谱、成分和各向异性等传统宇宙线课题,还包括许多相关的观测研究,如探索利用宇宙线监测太阳的活动,预报由太阳巨大耀斑引发的地磁暴,探索雷暴与高能宇宙线在大气中的级联反应之间的关联等。随着计划中更灵敏的新一代LHAASO实验的逐步实现,文中所介绍的所有研究都将得到显著的提高,可能在其中某些研究方向产生突破。     

太阳极轨天文台

太阳极轨天文台利用高轨道倾角(≥80°)和小椭偏率轨道,将首次实现正面对太阳极区磁场和速度场高精度成像观测,结合多波段遥感和原位测量,为解决太阳磁活动周起源的世纪难题提供决定性观测,为破解“原始”高速太阳风的起源效应之谜提供直接观测支撑,为理解日球层整体结构突破性创建数据驱动的日球数值模型.     

多信使的盛宴

<正>在过去几十年内,天文学家已经观测到了几千个耀变体。"耀变体发射高能宇宙线和高能中微子"的图景很漂亮,却一直未得到有力的证实。但这个局面在2018年9月发生了改变:"冰立方"探测到一个遥远的超高能的中微子,而伽玛射线卫星探测到同一方向来的伽玛射线辐射。这两个探测结果表明,"耀变体发射高能宇宙线和高能中微子"的图景很可能是正确的,因此这个结果也被视为多信使天文学的一大突破。     

暗物质粒子探测卫星研究进展

天文观测表明,宇宙中广泛存在暗物质,其丰度是普通物质的5倍,占宇宙总能量份额的约1/4.自20世纪30年代天文学家通过引力观测发现暗物质以来,经过近百年的探索,其物理本质至今仍然不为我们所知.另一个世纪谜题是高能宇宙射线的起源、加速和传播.暗物质的本质和宇宙射线的起源位列美国国家研究委员会(National Research Council)遴选出的21世纪11个宇宙物理学重大科学问题之列.探测暗物质粒子也是世界各国竞争异常激烈的科技热点.我国发射的暗物质粒子探测卫星,其主要的科学目标即通过精确观测高能宇宙射线电子和伽马射线来间接探测暗物质粒子.作为一个高能粒子探测器,暗物质粒子探测卫星观测数据也可用于宇宙射线物理和相关天体物理研究.基于暗物质粒子探测卫星的数据,我们得到了对宇宙射线电子和质子能谱的最为精确的测量,揭示了能谱上的新结构,为限制暗物质粒子属性和理解宇宙射线起源提供了重要数据.暗物质粒子探测卫星还探测到约250个伽马射线点源以及银河系弥散伽马射线辐射.本文综述了暗物质粒子探测卫星的设计、运行和数据分析进展.     

宇宙射线研究和羊八井ARGO实验的简要介绍 *

2012年是宇宙线发现100周年。本文简单介绍了宇宙线的发现历史和对其进行探测的主要实验方法和手段，并对代表性的重要物理结果作了描述。最后，从中国的特点出发详细介绍了ARGO-YBJ 实验。     

中国宇宙线乳胶室获取的特殊事例

乳胶室是研究宇宙线的重要探测装置，其观测范围主要是超高能核作用的碎裂区。中国的甘巴拉山乳胶室，是世界上最高的高山乳胶室，近２０年来，探测到大量的超高能核作用事例，其中的特殊事例预示超高能核作用中可能存在着别一种作用机制。     

ARGO YBJ：为期5年的伽玛射线巡天观测＊

ARGO YBJ实验已经稳定运行了5年,产生了许多重要的科研成果。本文将总结ARGO YBJ对伽玛天文领域的贡献,包括河内源的伽玛射线能谱,河外活动星系核的爆发等现象的深入研究,以飨读者。在不久的将来,已经在计划之中的LHAASO实验将成为该领域内新一代的实验装置,对本文所介绍的所有研究,都将会得到极大的增强,显著地深化我们在伽玛射线天文学领域观测方面的研究。     

天体尺度上的重大灾变事件——宇宙在大爆炸中诞生

 目前关于宇宙起源的主流学说是大爆炸宇宙论--可观测宇宙在一次大爆炸事件中诞生,至今经历了长达130多亿年的演化,期间形成了各种形式的天体和天体系统。因得到若干重要观测事实的支持,基于灾变式事件的大爆炸理论已获得学界的普遍认可。     

基于清流水网的流域水污染控制战略和技术体系*

面源污染是造成中国环境恶化的重要污染源。国内外已有的成功经验表明,实施基于流域的水环境污染控制战略是面源控制的有效途径。在多年面源污染控制实践并借鉴国外成功经验的基础上,复旦大学流域污染控制研究中心提出了一整套基于清流水网的流域水污染控制理念,具体包含三项指导性原则：①基于流域水环境容量的污染源优先控制级序;②流域内水污染的全过程控制;③注重营养物质高质循环和流域生态景观建设。围绕上述流域水污染控制理念,针对农村生活污水、农村固废、农田废水等主要面源,复旦大学流域污染控制研究中心在流域污染控制技术体系构建方面进行了不断的摸索、思考和尝试,并取得了一些阶段性的成果。     

核糖体的研究历程——2009年诺贝尔化学奖简介

2009年10月7日,美国科学家V·拉马克里希南、T·施泰茨以及以色列女科学家A·尤纳特因为对核糖体结构和功能的研究共同获得诺贝尔化学奖。这三位科学家分别应用X射线衍射技术以高分辨率解析了核糖体的原子结构并且研究了核糖体功能。     

闪烁材料——探索科学世界的一扇窗

 对闪烁材料的评价指标、应用领域和发展现状进行了调研,并结合中国闪烁材料研究现状对闪烁材料未来的发展方向和趋势进行了展望。