“粒子”科学家回信丨查敏：通过分析“粒子雨”般的广延空气簇射，拉索可反推原初宇宙线的性质

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编者按：2023年5月起，“学习强国”学习平台与中国科学报社联合发起“科学家回信”活动，邀请广大读者向自己心中向往尊敬的科学家、科技工作者提问、留言。活动启动后，“学习强国”“科学网App”收到了读者的踊跃留言。我们精选了读者徐爱梅的提问，请中国科学院高能物理研究所研究员、博士生导师查敏发出第四十期回信。

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读者徐爱梅：拉索是如何根据探测的光点倒过来推测宇宙射线原初粒子的方向、能量、速度、质量的？能否建立模型具体说明？我猜是根据动量守恒、能量守恒。但接收的是经过多次电离或裂变后的次级粒子，怎么能确认原初粒子会不会也被接收了？缪子是中微子吗？希望专家举例说明，具体一点，怎么判断新伽马暴的方向的？

查敏：高海拔宇宙线观测站（中文简称“拉索”）是以宇宙线观测研究为核心的国家重大科技基础设施，位于四川省稻城县海子山。该设施的运行由中国科学院高能物理研究所承担，采用通用的国际合作模式，实现设施平台与观测数据的开放共享。

拉索由三个阵列组成：5216个电磁粒子探测器与1188个缪子探测器联合构成的1平方公里的地面簇射粒子探测器阵列（英文简称KM2A）、3120个探测单元构成的78000平方米的水切伦科夫探测器阵列（英文简称WCDA）、18台望远镜构成的广角切伦科夫望远镜阵列（英文简称WFCTA），可以宽波段、多手段地测量来自于高能天体的伽马射线和宇宙线，开展天体物理等方面的研究，主要的科学目标可以综合成以下三个方面：

通过精确测量候选天体（超新星遗迹、黑洞等）的伽马射线宽范围能谱来寻找宇宙线源存在的证据。

（2）通过伽马射线的巡天普查大量发现伽马射线源，发现新现象，揭示新规律。

（3）通过暗物质的研究、超越加速器物理能标之上的新物理问题，洛伦兹对称性破缺效应、量子引力效应等研究开展新物理前沿研究。

拉索采用边建设边运行的独特模式，在运行之初就取得了一系列令人瞩目的结果：在2022年高能物理研究所与Springer Nature联合召开了拉索首次重大科学成果新闻发布会，会上宣布拉索发现首批“拍电子加速器”和最高能量光子，开启“超高能伽马天文学”；拉索于2022年10月9日对史上最亮的伽马暴（后被命名为GRB221009A）的成功观测。这个伽马暴的亮度比以往最亮的伽马暴还要高几十倍，其过高的光子流量使得多个国际实验的探测器发生了饱和。拉索不负众望，首次在万亿电子伏特能量处对伽马射线暴最早余辉进行了非常重要的、突破性的观测，给出了伽马暴完整的光变曲线与能谱。这一观测结果大大增进了人类对伽马暴辐射机制以及喷流结构等方面的认识。相关的科研成果于2022、2023年在《Science》《Nature》《Science advance》发表。

拉索的研究手段是通过分析广延空气簇射来反推原初宇宙线的性质。其中主要通过测量簇射中的次级粒子的到达时间来重建原初粒子的方向。可以近似地理解成相当于许多平行的次级粒子触发了我们的探测器，理论上只需要知道两个探测器的到达时间差△t和两个探测器之间的距离△d，一个简单的三角函数的计算就可以估计出相应的原初入射方向，θ=acos（△t/△d）可参考图2，是一个简化的重建方向的示意图。 同时拉索也通过探测到的总粒子数、触发探测器数目和一些对成分敏感参量来反推原初粒子的能量、成分。

根据我们的探测器的特点，我们是把地球的大气层当作探测器的一部分来完成对原初粒子的测量，从这个角度出发拉索属于间接测量。还有一点就是缪子不是中微子，而是一种轻子。而且缪子在拉索实验里的位置非常特殊，由于它对成分敏感，许多和成分区分、能量重建有关系的参量都利用到了它的信息。

拓展阅读：

（1）伽马暴是宇宙大爆炸之后最剧烈的天体爆炸现象，是指来自天空中某一方向的伽马射线突然增强的闪烁现象。最初是1967年由用于监测核试验的Vela卫星发现的。从发现以来，伽马暴一直是天体物理学家关注的热点。在观测上伽马暴短至千分之一秒，长则数小时。短时间的伽马暴是由两颗邻近的致密星体（黑洞或中子星）并合产生，而长时间的伽马暴是由巨大恒星（超级恒星）在燃料耗尽时塌缩爆炸产生。伽马暴拥有非热形态的拐折幂律谱和不规则的多脉冲形态， 其具备光变曲线复杂且快速变化的特点。一次伽马暴释放的各向同性辐射能可以达到1053erg的量级，甚至更高。

（2）广延空气簇射（英语缩写为EAS）现象是1938年被法国科学家Pierre Auger发现的。简单来说就是原初宇宙线粒子在大气层顶部与空气中的原子核发生相互作用产生次级粒子，次级粒子又产生第三代粒子，并照此发展下去。当然，这些次级粒子在大气中也有被散射、吸收、衰变成其他粒子的过程。这种现象就是广延空气簇射。广延空气簇射中产生的次级粒子数目先是倍增，进而达到最大，当次级粒子的能量低到不能产生新的粒子的时候，簇射开始进入衰减阶段，最后逐渐消亡。打一个简单的比方：广延空气簇射就好像是由一个宇宙线粒子落进大气中产生的一阵粒子“雨”（shower）。这阵雨的“雨点”虽然可以成到上百万个，但是持续的时间很短，仅持续几纳秒（依赖于所处的位置），因为每颗粒子都以非常一致的速度落下来，形成了一个厚度约1米的圆盘。其实“广延”的意思就是指盘的大小可以大到几百米，甚至几千米（和原初能量有关系）。

好了，关于科学家回信丨查敏：通过分析“粒子雨”般的广延空气簇射，拉索可反推原初宇宙线的性质就讲到这。