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拉索能发现超高能粒子,加速器就不需要建了吗?

2021-07-25 19:09     来源:中科院高能所     LHAASO 粒子加速器宇宙射线
袁岚峰和中国科学技术大学天文系特任教授杨睿智博士和中国科学院高能物理研究所青年研究员陈松战博士两位老师一起直播,介绍了最近“拉索”(高海拔宇宙线观测站,Large High Altitude Air Shower Observatory,英文简称LHAASO)的重大成果。

精彩再现:

中国有”哈勃望远镜“计划吗?

袁岚峰(西瓜视频科普创作者;中国科学院科学传播研究中心副主任;中国科学技术大学科技传播系副主任):现在我们来回答一些观众在弹幕当中的问题。第一个有意思的问题是说,问我们国家的哈勃望远镜会什么时候搞?谁来回答一下?


杨睿智(LHAASO合作组成员;科学技术大学天文学系特任教授):这个我不知道能不能说。我就简单说一下,因为我们国家是有空间光学天文望远镜的计划,就是和哈勃类似当然比它要先进了,因为毕竟是我们有20年的后发优势,预期在空间站,空间站大家知道吧?空间望远镜会在天宫空间站旁边伴飞,预计什么时候发射,好像还没有一个明确时间表,不过按照我们国家做这个工程的速度来说肯定应该是很快的,不会像美国的一样拖了好几十年,应该可能是近几年就会做成了这个事情。关于哈勃还有个八卦不知道大家知道不知道,它好像这次是坏了,就是前几天,哈勃坏了。



袁岚峰:它的电脑现在没法修了?

杨睿智:电脑太陈旧了,主要就是因为它这个用的还是,它上面控制系统控制的电脑用的是486芯片,30多年前40年前的技术,所以好像现在遇到了一些问题,昨天重启了不知道现在有没有修好。

袁岚峰:实际上以前我和周炳红老师、刘勇老师[3] 他们讲我们国家空间站的时候就已经说到,我们空间站会伴随着好多科学的项目,其中最重要一个就是伴随着空间站伴飞的望远镜,然后呢它如果出了毛病,这个空间的航天人员还可以出去修一下。现在哈勃望远镜就悲剧了,哈勃望远镜以前都是航天飞机派人上去,但是航天飞机现在全退役了,所以哈勃望远镜现在没法修了,它如果修不好真是太可惜了。所以我们的这个空间站旁边望远镜现在是修好了吗?现在建好了吗?就等着发射还是说还在建?


杨睿智:据我所知应该是还在建。但是我们国家建这些项目是很快的。

袁岚峰:我们满怀期待。

陈松战(中科院高能物理研究所研究员;LHAASO合作组物理分析协调人):其实我们拉索项目国外参与的,参观之后对我们拉索中国的建设速度非常震惊,就说你们建的太快了,人家建十几年,结果我们几年内把拉索这么大一个项目就建起来了。


袁岚峰:所以怪不得叫做超越时代的探测器,他们那边还在商量这边已经建完了。

陈松战:说到空间站,其实我们高能所还有一个宇宙线探测器也要放在空间站上,就是HERD探测器,我们高能所参与主导的,应该是一个在空间站上直接探测宇宙线的装置,在直接探测方面的灵敏度应该也是达到国际领先的。


 
袁岚峰:你是说要放在我们国家那空间上吗?

陈松战:对,我们国家的空间站上。

袁岚峰:它直接对标对象应该是阿尔法磁谱仪咯?

陈松战:它没有磁铁。

杨睿智:相当于应该和磁谱仪它也是各有优势的,磁谱仪它的优势在于它有磁铁,所以它的电荷测量能力是非常强的,它可以把各种核素包括同位素的能谱都测出来,但它的弱点就是它非常小。我们刚才也提到了高能粒子是随着能量增加粒子数粒子密度衰减得非常快,所以它也只能覆盖到非常有限的能量,它可能就到TEV,10的12次,也就是千万分之一焦耳能段,再往上就无能为力了。但是我们的HERD它的面积是比较大的,它应该是平方米量级的,这个应该是比AMS(阿尔法磁谱仪)-02大100倍左右,所以它是主要关注的能段也是在PeV及以上的能段,它是一个直接测量的宇宙线。

袁岚峰:它是会铺开在这个空间外边,还是在空间站仓里面?

杨睿智:是在一个货仓里,当然探测器肯定是要放在外面,它那个位置是货仓的位置,就是放在货仓上还是怎么样,我具体也不是太清楚。

袁岚峰:反正有了这个空间站,我们有好多实验就可以到太空里面,这个还是让人很高兴的。

月球上能不能建射电望远镜?

袁岚峰:有个人问这个是比较靠谱的问题,月球上能不能建射电望远镜?这个回答肯定是可以,这肯定也是我们的目标之一。

杨睿智:月球上可以建射电望远镜,但是拉索这种探测器它是建不了的,因为我们拉索特点就是要利用大气作为一个target,宇宙线打到大气上产生次级粒子,我们探测到这些次级粒子才能探测到宇宙线,月球上没有大气,所以是做不了拉索这种类型的探测器,但是月球上可以做其他类型的探测器。


陈松战:像空间站一样。

杨睿智:就像悟空卫星或者是AMS02阿尔法磁谱仪那种探测器,如果可以做很大很大放在月球上当然是可以的,不过这个价钱是难以想象了。

袁岚峰:月球上探测宇宙线它那个,就没有遮挡,会直接打到探测器上,就是不同原理的探测器。

杨睿智:没错,对。月球上作为天文观测的一个优势在于我们现在放空间的地方,都可以放到月球上去,就可以相应的把体积做大,但是经济投入还是非常可da'gai观的。

袁岚峰:但是它肯定是我们的远期目标之一,因为中国现在确实明确的宣布要在月球上建一个长期的科研基地,所以如果建好在上面肯定要放这些仪器的。

高能粒子是如何加速的?

袁岚峰:这次捕获到的高能粒子只是确定来自天鹅座,并不知道是怎么加速的,是这样吗?

陈松战:应该是这样,我们只能说大概从天鹅座某一个核心区,但是它怎么加速的,其实还是我们科学上一个在研究的问题,第一个我们要找到起源的地方,第二个下一步就是说它怎么加速的,才可以进一步研究。

袁岚峰:是,但是现在这些发现至少可以证伪一些理论,就是以前提的一些理论,现在至少可以证明那些理论是错的,可以否定一些理论,剩下一些理论大家还在那儿争,是这样一个状态吧?

杨睿智:这个也不能说证伪了一些理论。这个只是确定了我们进一步研究的一个区域,我们将来可以用,包括我刚才提到的计划中的契伦科夫望远镜阵列,因为它是有更好的角分辨,我们就可以把这个结构看得更清楚,具体定位到底是哪个天体来的,可以做这个事情。知道是哪个天体来了之后,就可以对加速机制进行一些更细致的研究。

我看弹幕中还有人还有同学问是这些这么高能的光子是怎么产生的?我说这些质子的产生机制其实也是有一些说法的,有一些假说的,现在一般认为它来自于基波加速,基波就是爆炸中会产生那种比它的传播速度比声速要高的那种。


 
袁岚峰:超音速的波,就好比一个超音速飞机,它突破音速的时候会产生一个声障。

杨睿智:它扰动的传播速度超过光速超过声速,就在这种结构的周围,如果按照现在的理论基波的前沿是有磁场的,它可以束缚住宇宙线,让它反复穿越基波前沿,然后就可以不断地获得能量,那就慢慢的会加速很高的能量。但是之前一般的看法认为基波加速最有效场景就是超新星遗迹,就是超新星爆发后,它的抛射物还会在星际空间中一直的膨胀,抛射物膨胀的过程就是超声速的,所以它前沿就会有基波产生。所以一般认为在这个区域是宇宙线加速最好的场所,但是之前的一些对超新星仪器的观测也表明似乎已知的非常年轻的超新星仪器并不能产生这么高能量伽马射线。我们现在定位的区域就是天鹅座X-1[4] 或者说天鹅座这个区域,并没有很年轻的超新星,但是它是有很强的脉冲星的,而且这个区域是有很多大质量的恒星的,所以确实有可能有之前爆发过的超新星遗迹,但是目前没有被看到。




另外就是大质量恒星,它的星风与大质量恒星,我们知道恒星质量很大的时候比太阳大100倍大几十倍的时候,它会吹出很强的风,就是星风,恒星风。其实我们太阳也是有这样一个物质抛射的过程,太阳也是不停往外吹太阳风的,但是这些大质量恒星它风的速度和动能都要比太阳大,它的速度大概是要大30倍,抛射物的质量是要大几个数量级。

所以综合起来看那些大质量恒星,恒星风的能量可能要比太阳风能量要大7-8个量级甚至更多。所以这种大质量恒星新风,它周围也会形成基波,也可能是一种宇宙线现在加速的起源,但是这些问题目前我们现有的数据还是无法分辨的,有待进一步研究。这就是目前的一个研究现状。

袁岚峰:刚才杨睿智老师说到超新星遗迹让我想起一件事情,我们这次拉索的成果其实有两个最典型的,一个是天鹅座,另外一个是蟹状星云,实际上它整个实验当中用来定标那个标准烛光,就是蟹状星云。


中国古代天文学贡献

袁岚峰:蟹状星云对于中国人来说应该是特别特别的熟悉,因为它就是整个中国古代对于世界天文学最大的一个贡献,就是宋朝的时候发现的超新星爆发,宋朝1054年,曾经看到过天上出现一个特别特别明亮跟太阳一样亮的东西,以至于白天都能看见,但是在很快的一段时间之内就看它逐渐暗淡下来,过几个月之后它就变成一个普通的星星,我们现在把它叫做蟹状星云,因为你很明显看到它那个形状就像一个螃蟹的,现在它都仍然是一个天文学非常重要的观测对象,这次实际上是我们在银河系里边确定有12个源,它可以发出这种能量达到10的15次方电子伏特量级的光子,其中第一个就是蟹状星云,能发出能量最高的是天鹅座。所以这次高能物理所发的通告,或者说它画的艺术图,下面是一个拉索探测器,上面左边就是蟹状星云,右边就是天鹅座的星图,所以画了一个螃蟹和一个天鹅。


袁岚峰:蟹状星云它就是一个超新星的遗迹对吧?

杨睿智:蟹状星云确实是超新星遗迹,但是我们认为现在观测到的这种高能伽马射线,包括高能到超高能伽马射线辐射,主要是来自于它羽翼中的很小一部分,就是来自于其中的脉冲星周围的脉冲星风云,它这个尺度要比超新星遗迹更小一点。

袁岚峰:所以就是说虽然是来自蟹状星云,但是并不是来自于超新星的遗迹,而且来自脉冲星对吧?

杨睿智:没错。

陈松战:对,它应该是脉冲性的风云,就是脉冲星吹出新风跟介质作用有可能是这样,但是现在其实这个理论还是不太清楚的具体怎么样。

杨睿智:没错,尤其是我们目前,我们拉索在更高的能量看到了一点,可能和这种传统理论的一些背离,可能有一些新的科学在里面,当然这就期待我们的下一篇文章,即将发表在《Science》上,可以向大家宣传一下。

袁岚峰:很期待我们在理论上做出新的突破。

杨睿智:我再补充一点,刚才袁老师说到我们中国古代天文学的贡献,杨老师特别提到了蟹状星云,其实在我们高能、甚高能伽马射线天文这个圈子里,还有一个源也是同样的重要,那个源叫1713,它在南天,很遗憾我们拉索看不见,但是这个源也是个超新星遗迹了,这个源年龄的确定就是根据我国古代的天文文献是宋书天文志,不是宋朝的宋,是南朝宋齐梁陈的宋,是南朝的宋的天文志它的记载,来把这个源的年龄给定下来,这个对辐射机制的研究也是非常重要的一项贡献,这个源其实是一个非常非常亮的源,如果我们人眼可以看到伽马射线的话,它应该是天空中最亮的源,在T位波段,在甚高能伽马射线波段是天空最亮的源,而且它非常大,它比月亮还要大三倍大概。这是我们国家古代天文学对当代天文学的另一个非常重要的贡献。

袁岚峰:它名字怎么叫1713?乍一听1713我还以为是年份但是你说的是南朝宋。

杨睿智:对,南朝宋大概是公元400多年,300多年,300多年还是400多年(420年-479),它的年龄四世纪,年龄大概1700年,这1713的名字是根据它的坐标来的,天文学中的一些普遍的惯例,如果它没有一个传统的名字,就用它的坐标来命名。在我国宋词天文志上也并没有给它起一个非常响亮的名字,只是记录了这一起超新星爆炸的事例。

有拉索还需要建加速器吗?

袁岚峰:有好多人对于发现超高能粒子他的第一反应就是说那是不是说明地球上就不需要建加速器了?因为人类建的反正都不如天上这些粒子。
陈松战:我先说一下我的观点,其实我们宇宙线刚开始发现的时候我们来干什么?就做加速器现在做的事儿,但是最后我们加速器来了之后,就把我们宇宙线在粒子物理这个作用就替代了,所以说不能说我们看到这么高能粒子就可以替代加速器,这两个面向的物理是不一样的,加速器肯定是产生不了这么高能的粒子,这么高能研究还是靠宇宙线,但是说研究基本的粒子物理作用模型什么产生新粒子的,可能还是加速器更高效一点,毕竟天体来的粒子太少了,你想集中大量还是加速器在这个领域应该是更有作为。


袁岚峰:杨老师?

杨睿智:没错,我觉得陈老师说的很有道理,加速器和宇宙线相比,它的特点就是它的流量可以非常大,虽然它的能量现在达不到宇宙线这个量级,但它的流量是非常大的。我们知道在研究加速器研究物质基本相互作用的时候它有一些过程,它的反应截面是非常小的,就是说你必须用非常大的流量才能撞出来几个你想要的事例,这个事情宇宙线是做不到的。还有一个就是即使在我们宇宙线研究中,比如说刚才陈老师也提到了,我们宇宙线现在研究中它用的做法是使用宇宙线和大气中原子相互作用,产生次级粒子,去反推入射宇宙线的一些信息,所以反推过程中其实我们就用到了很多标准模型的东西,这个标准模型就是前人根据加速器上的一系列进展来做出来的。所以这两者确实应该是一个互补的关系,并不是说我们现在宇宙线看到了这么高能量宇宙线,就可以不做加速器物理了,这肯定是不对的。

袁岚峰:我可以补充一下,外行往往以为能量是越大越好,实际上我以前对于加速器的理解也是这样,你有了高能量那个低能量还有什么用,但是最近我才忽然发现一个就是即使你看起来很低能的加速器也是有用的,比如说中国的最早的一个加速器叫做北京正负电子对撞机,那是刚刚改革开放的时候,李政道先生向邓小平建议要做的,邓小平拍板说我们应该建这么一个东西,当然它主要的目的是为了培养人才,因为那时候中国整个高能物理的人才都没多少,因为这个钱都断了顿了嘛。好不容易把这个建起来,它那个能量比那时候还是要低很多,你说这么一个东西能有什么用?除了有教育的目的之外,可是就是这么一个能量很低的加速器,它居然也做了一个很有价值的科学成果,它精确测量了τ子的质量,这个τ子是一种粒子了,是一种轻子,这让我感到很纳闷,我去问高能物理的专家说为什么这个东西要轮到北京正负电子对撞机来测量?回答是这样的说你要精确测量一个粒子质量,前提是要打开粒子的速度非常慢,它动能接近于0,然后你达到大量这样的粒子这样测的最准,就需要你那个能量刚好是在这个粒子对应的那个质量附近是最好的,所以北京正负电子对撞机设计的时候就是这样,它就是跟τ子的质量是最接近的,所以它能把τ子信号测的最准,比那些能量比它高得多的那些加速器实际上是反而更准。所以这就告诉我们任何一个加速器都是有它的用处的。不但是加速器跟宇宙线之间是一个互补的关系,而且不同的能量高低的加速器也是一个互补关系,每一个科学仪器都是有它的用处的。这就是为什么我们前面谈到你有了拉索之后,羊八井仍然是有用的,所以现在各地其他那些能量比较低的探测器也仍然是有用的,大家都可以提供不同侧面的科学信息。所以外行以为有了一个高的其他的全都不需要了,这是典型的外行看法。


袁岚峰:好,非常感谢我们观众提的这么多有意思的问题,既有非常专业的问题,又有非常脑洞的问题。当然也要感谢我们杨睿智、陈松战两位老师无论什么样的问题,都给出了非常专业的解答,我想我们观众也是受益匪浅,也非常感谢我们观众对于我国高能物理的发展有这么深厚的兴趣。我们不但是经常要奔向星辰大海,我们在地面上也可以接受很多星辰大海的信息,经常有很多科学发现跟大家分享。随着几个月之内我们拉索达到全功率运行,所有探测器都会上线,将来肯定会不断的会有更多更重要的科学成果跟大家分享。感谢大家。

杨睿智:谢谢大家,大家再见。

陈松战:再见。

中国核能高质量发展大会

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