本文来自微信公众号： 腾讯太空 ，作者：张颖，原文标题：《科学重器 | 位于海拔4300米的雪域高原，羊八井宇宙线观测站窥视到了哪些宇宙奥秘？》
一、羊八井ASγ实验如何捕捉"宇宙信使"？复合式探测阵列的巧妙设计！
想象一下，我们要在数以亿计的宇宙线粒子中，找出占比不足1‰的伽马射线，这比大海捞针还要困难千万倍！面对这一世界性难题，羊八井ASγ实验凭借其独特的“表面探测器+地下缪子探测器”复合式阵列，成功实现了从“宇宙线粒子海洋”中精准捕获伽马射线的突破。
1、表面探测器：捕捉"宇宙线粒子暴雨"的精密网络
当高能宇宙线闯入地球大气层时，会与空气中的原子核发生相互作用，产生大量次级粒子。这些粒子在飞行过程中继续与空气原子核发生作用，形成更多粒子，从而引发一场微观世界的"宇宙线粒子暴雨"——这就是"广延大气簇射"。这一过程中，数以亿计的次级粒子（如电子、光子、缪子等）以接近光速洒向地面。
羊八井观测站位于海拔4300米的西藏高原，这一高度具有独特的优势：对于能量约为PeV（拍电子伏特，即10^15电子伏特）的宇宙线而言，其引发的“广延大气簇射”正好在此处发展到最大的阶段。这就好比我们站在最大瀑布的正下方，能够最有效地接住飞溅的“水花”，从而最大限度地捕捉宇宙线簇射粒子的信息。
我们将那些能够将宇宙线加速到PeV能量的天体称为"拍电子伏特宇宙线加速器"（PeVatron），而搜寻这类"拍电子伏特宇宙线加速器"是西藏羊八井ASγ实验的主要科学目标。羊八井观测站的这一海拔优势，使其成为搜寻这类"超级加速器"的理想基地。
为此，我们布设了大规模的表面探测器阵列：七百多个探测单元整齐分布，覆盖约六万五千平方米的广阔区域（相当于九个标准足球场大小）。每个单元都配备有塑料闪烁体和光电倍增管，犹如一个精密的“雨量计”，通过测量次级粒子的电荷和到达时间，帮助我们反推原初宇宙线的能量和方向。
这一庞大的探测网络，为我们在茫茫粒子海洋中追踪伽马射线的踪迹，提供了至关重要的能量和方向信息。
2、地下缪子探测器：识别伽马射线的"火眼金睛"
西藏羊八井ASγ实验最厉害的“杀手锏”，是于2010年建成并投入运行的地下缪子水切伦科夫探测器。这个埋于地下2.5米深的水切伦科夫探测器，有效探测面积达4500平方米，是当时国际首个实现大面积精确测量宇宙线簇射中缪子数目的实验阵列，成为我们从海量宇宙线背景中识别伽马射线的“火眼金睛”。
该探测器的核心设计原理是基于伽马射线和普通宇宙线（如质子、原子核）在大气中引发的簇射过程有本质区别。伽马射线主要通过电磁级联产生少量缪子，而宇宙线则通过强子级联产生大量缪子。利用所含“缪子多”或“缪子少”这一显著差异，我们就能大海捞针，筛选出稀有的伽马射线信号。
那么，我们又是如何准确捕捉并识别缪子信号的呢？
第一步是“过滤”。地下缪子探测器上方覆盖的2.5米厚土层就像一道天然的“智能滤网”，能够阻挡簇射中绝大部分电子、光子等成分，只允许穿透力极强的缪子通过。
第二步是“发光”。这些“幸存”下来的缪子以接近光速闯入地下2.5米深的纯净水池。由于它们在水中的运动速度超过了光在水中的传播速度，便会激发出一种微弱的蓝色辉光——这就是切伦科夫光。其原理好比超音速飞机在空中产生的音爆，只不过我们观测到的是发生在水中的“光爆”。
第三步是“捕捉”。探测器底部布设的20英寸大型光电倍增管阵列，就像极其灵敏的“光电子眼”，能够捕捉到这些微弱的切伦科夫光，并将信号放大数百万倍，使之成为可记录和分析的电信号。
通过精确测量缪子数目，我们就能像侦探一样，从数以亿计的宇宙线背景海洋中准确识别出伽马射线事例所留下的独特“指纹”。
这项创新技术使ASγ实验能够将100 TeV能区的宇宙线背景噪声压制到百万分之一的水平，相当于在北京市全部人口中准确找出几十个特定的人。正是这一技术突破，使羊八井ASγ实验2019年国际首次率先打开了100 TeV以上超高能伽马天文的观测窗口，引领了超高能伽马射线天文学的新时代。
二、窥见了哪些宇宙奥秘？——三大突破性发现
1、捕捉到来自蟹状星云的"超级能量弹"
2019年，ASγ实验在对著名的蟹状星云进行观测时，取得了一项里程碑式的突破：国际首次探测到来自该天区方向、能量高达450 TeV（即450万亿电子伏特）的伽马射线光子。
蟹状星云源于公元1054年宋代天文学家记录下的“天关客星”——一次明亮的超新星爆发。其遗迹中心有一颗高速旋转的脉冲星，犹如一台持续运转的“宇宙发电机”，不断向外抛射高能粒子，使其成为银河系中最稳定且最受关注的高能辐射源之一，也被称为“标准烛光”。
ASγ实验这次探测到的伽马射线，能量高得惊人，它相当于可见光光子能量的近百万亿倍。这一发现，将当时人类已知的伽马射线最高能量纪录提升了五倍以上，开启了“超高能伽马射线天文学”的新时代。
2、锁定银河系"超级加速器"候选体
2021年3月，ASγ实验在国际上首次发现距地球2600光年的超新星遗迹SNR G106.3+2.7持续发射出超过100 TeV的超高能伽马射线。观测数据显示，这些伽马射线的空间分布并非源于遗迹中心的脉冲星，而是与邻近的一片巨大分子云高度吻合。
这一过程可形象地理解为：超新星遗迹如同一个天然的“宇宙线炮弹发射器”，将质子加速到极高能量；而分子云则充当“宇宙线靶场”，在被高能质子击中时发出伽马射线“闪光”。正是通过捕捉这些“闪光”，我们得以间接证实“炮弹”的存在与威力，使SNR G106.3+2.7成为银河系中最具说服力的“拍电子伏特宇宙线加速器”（PeVatron）候选体之一——这是科学家们追寻多年的、能够将宇宙线加速至拍电子伏特能量的"宇宙线加速器"。
3、发现银河系遍布"恐龙足迹"
最令人兴奋的是，2021年4月ASγ实验观测到了当时最高能量的弥散伽马射线辐射，最高能量达957 TeV，接近1PeV，这些超高能伽马射线并非来自某个特定天体，而是弥漫分布在整个银盘上。
这一发现之所以重要，是因为它首次为"拍电子伏特宇宙线加速器"在银河系中的存在提供了直接证据，被美国物理学会（APS）评价为百年宇宙线起源研究的里程碑。2021年4月5日，美国物理学会为该成果召开了国际新闻发布会。
形象地说，如果我们将"拍电子伏特宇宙线加速器"比作"恐龙"，那么ASγ所捕捉到的这些弥散的亚PeV级伽马射线就是“恐龙在银河系内留下的一串串足迹”，是"拍电子伏特宇宙线加速器"广泛存在于银河系的重要证据。
三、追寻"恐龙"本尊
虽然我们已经找到了“恐龙”经过银河系的足迹，但那些神秘的"宇宙加速器"本尊——能够将粒子加速到PeV能量的特定天体源——仍然有很多隐藏在宇宙的深处。目前全球能观测到“拍电子伏特宇宙线加速器”的探测装置大多集中在北半球，对“银心”（银河系中心）这个"高能事件高发区"的观测还几乎是一片空白。
下一步，我们将把探测器阵列部署到南半球，通过更灵敏的新一代探测器，实现南北半球联合观测，从而绘制出更清晰、更完整的宇宙线起源图景。我们相信，随着每一个伽马光子被精确捕捉，揭开“宇宙线起源”百年谜题的时刻正一步步临近。
