作者:黄晶等 来源:PRL 发布时间:2019/11/4 20:05:29
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科学家捕捉到宇宙中最高能量的光子

 

公元1054年,北宋天象官目睹了宇宙中最震撼的景象:一颗超新星爆发。近一千年后的2019年,中日科学家从这场宇宙级焰火的遗迹——蟹状星云中探测到迄今能量最高的光子。这一发现被《物理评论快报》作为高亮点文章发表。

扎着马尾辫,容貌秀丽的中日合作西藏羊八井ASgamma实验中方负责人黄晶介绍,这一进展标志着超高能伽马射线天文观测进入到100TeV(1TeV=1万亿电子伏特),打开观测宇宙的新窗口。

宇宙中除了星辰,还隐藏着一个巨大的秘密。无数神秘的粒子正以接近光的速度飞驰,这些神秘的粒子就是宇宙线。

宇宙线给人们带来了太阳系以外唯一的物质样本,携带着其产生地“源”天体及其经过的空间环境,乃至天体演化及宇宙早期的奥秘,是人类探索宇宙的重要途径。

在宇宙线发现后的100年间,与之相关的研究获得了5次诺贝尔奖,但人类还不清楚高能宇宙线的主要来源。什么样的物理过程把这些粒子加速到如此之高的能量?在从其发源地传播到地球这一漫长而遥远的旅途中经历了什么?它们在宇宙演化各个阶段起什么作用?

黄晶记得童年时代的夏夜,她在福建老家院中乘凉,一位读过大学的邻居摇着一把画满星座的折扇给大家讲故事。满天繁星让她对宇宙心驰神往。

1993年黄晶大学毕业去日本东京大学宇宙线研究所深造。当时日本粒子物理学界正在不断产生诺贝尔奖获得者。她的老师是中日合作羊八井实验的日方创始人。在日本读研期间,黄晶已经跟随老师到西藏羊八井开展观测。

她说:“宇宙线探测与国家实力的发展有很大关系,我们都能切身感受到。”上世纪八九十年代中日合作的实验中,中方既无经费也无技术,只建设了安放数据采集系统的土坯房。一直到2000年左右,中国的经费才逐渐增加。

2008年黄晶回国,到中国科学院高能物理所创立自己的实验室。当时只有三间空荡荡的屋子,差点就要在地上做实验了。她带着学生找来废弃的桌椅搭建起实验室。探测器组装完成后无法测试,她的学生用自行车驮着仪器在高能物理所里转,好不容易借了一间实验室,利用周末测试设备。

2012年,黄晶开始担任中日合作羊八井ASgamma实验的中方负责人。

为了探寻宇宙线的答案,黄晶曾在西藏遇到生命危险。

有一次,黄晶带领学生在羊八井观测站安装实验设施,遇上沙尘暴,人几乎要被风吹跑了。他们或趴着或跪着在狂风中把设备安装好。

还有一次,黄晶在羊八井发烧快到40度,且有很强的高原反应。当地仅有一个简陋的卫生所,由于是假期,只有一位男医生值班,没有会输液的护士。如果不立即输液,黄晶有生命危险。曾为照顾母亲学过输液的黄晶请医生找来器具并按住自己的胳膊,当她给自己扎针头时,感觉到男医生的手在发抖。黄晶脱离危险后医生感叹道,从未见过这样的女人。

羊八井ASgamma实验虽然条件简陋,却取得了丰硕的成果。2014年,中日双方共同出资完成实验重大升级改造,成为目前20TeV以上能区国际最灵敏的伽马天文望远镜。

羊八井ASgamma实验最新成果引起国际学界关注。此前,许多世界上颇具影响力的科学家都认为不可能有超过100TeV的伽马射线。

“但是我们计算应该是存在的,我们坚持去做观测实验。”黄晶说,“这次的新发现打开了100TeV以上观测伽马射线的新窗口。能取得这样的进展,是由于我们开发出了创新型的探测器,大大提高了灵敏度。虽然国际上有十多家宇宙线实验组,但是我们从来没有在实验方法上跟风,我们靠的是观测技术的创新。”

黄晶说,宇宙线实验从设计、研制、验证、实施到最后出成果,是一个漫长的过程。面对浩瀚的宇宙,她一生最多只能做好三个实验,每一个需要坚持二三十年。

“我第一个实验是跟着日本老师做的,第二个在羊八井,第三个就是在四川稻城正在建设的高海拔宇宙线观测站。我们要埋头苦干,不断创新,更要持之以恒。”她说。

“我们国家经济发展了几十年,如果没有国家强大,就不会有钱来研发探测器,就不会有我们自己的核心技术。中国现在有钱了,但是技术和经验还需要长期积累。”黄晶说,“宇宙线发现一百多年了,起源之谜还没有答案,很有可能是中国人解答这个世纪之谜。”(来源:新华社 喻菲)

相关论文信息:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.051101

 
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