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重大突破！我国科学家发现了宇宙中能量最高的光子，这是什么意思？

发布于：2024-06-28 编辑：匿名来源：网络

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本文来自微信公众号“腾讯空间”（qqtaikong），作者：尧。

明年5月17日，国际知名期刊《自然》发表了我国科学家的重要成果：在银河系中发现能量为1.4拍的电子。

伏特的伽马光子相当于可见光能量的四万亿倍！这是人类迄今为止探测到的最高能量的光子。

与此同时，科学家还观测到银河系中存在大量天然“超高能宇宙加速器”。

这一发现改变了人类对银河系的传统认识，开启了“超高能伽马天文学”时代。

你是否感觉上面这段话每个字你都认识，但是读完之后还是感觉不明白？不理解很正常。

因为高能物理本来就是物理学皇冠上的明珠，一个非常狭窄的领域，而且这是最新的成果。

这里我们将物理术语一一分解并详细解释。

1. 什么是 1.4 拍电子伏伽马光子？节拍（P）是一个单位，代表10^15次方，即1千万亿。

比如现在的硬盘容量可以达到1T，1P就等于T。

“电子伏特”是一个能量单位，通常用在微观领域，表示一个电子通过1伏的电压所获得的能量。

例如，当一个电子从1.5伏干电池的负极端子移动到正极端子时，它获得1.5电子伏的能量。

我们周围可见光的能量约为几个电子伏特。

能量的主要单位是焦耳，一焦耳相当于十亿电子伏特。

你的手掌在1秒内可以释放大约1焦耳的能量。

可见，在宏观领域，电子伏特是一个非常小的单位。

图片说明：电磁频谱。

您可能听说过光具有波粒二象性。

在电磁波谱的较高能量端，光的粒子性质更加明显。

当光子的能量达到千电子伏以上时，人们开始将其称为伽马。

光子。

通常，某些原子核的衰变可以产生伽马光子。

例如，可以治疗脑肿瘤的“伽马刀”，利用钴60释放的伽马射线来杀死肿瘤细胞。

我们在年度例行体检时会进行胸部 X 光检查，使用的 X 射线能量低于伽马光子。

综上所述，也就是说，这次我国科学家利用新建的高空宇宙线天文台（LHAASO）观测到了能量为1.4拍电子伏的伽马光子，比普通的能量高出十亿倍以上伽马光子。

次至数十亿次。

2. 发现电子电压光子的意义是什么？理论上，单个光子的能量似乎没有上限。

著名科幻小说《三体》描述了宇宙中的超级文明可以通过释放“光粒子”来毁灭一颗恒星。

但实际上，来自银河系外的高能光子的能量是有明确上限的。

这个上限是由于宇宙充满了宇宙微波背景辐射。

微波背景辐射无处不在，古代电视屏幕上舞动的雪花约有1%是由于微波背景辐射的干扰造成的。

当高能光子在宇宙微波背景辐射中遇到这些低能光子时，它们会发生碰撞并消耗能量。

理论上，当光子的能量达到千万电子伏特时，它的能量就会受到限制。

。

也就是说，这次我国科学家已经触及了高能光子能源的前沿。

新物理最容易在前沿附近发现，这当然意义重大。

因此，这一发现改变了人类对银河系的传统认识，开启了“超高能伽马天文学”的时代。

此外，超高能宇宙线的来源和产生机制一直困扰着高能天体物理学家。

事实上，宇宙中的高能射线就是高能质子。

人类已经探测到了比这种“电子伏光子”能量高数万倍的高能质子。

这种微观粒子的能量可以相当于一架飞行的飞机的能量。

棒球。

然而，质子是带电的，当它们穿过宇宙时，它们会被星际磁场偏转。

因此，它们的起源无法追溯，其产生机制也无法研究。

高能光子则不同。

它们不带电，可以追溯到其起源，这就锁定了研究超高能宇宙线加速机制的研究对象。

3、什么是“超高能宇宙加速器”？加速器是一种增加带电粒子能量的装置。

老式电视显像管实际上是一个加速器，可以加速电子轰击屏幕并发光。

目前世界上最大的欧洲大型强子对撞机（LHC）也是一类加速器，可以将质子加速到光速的99.99%，然后让两束这样的近光速粒子正面碰撞，产生大量粒子，并观察其中发生的物理现象。

图例：大型强子对撞机的加速管道。

我们知道，宇宙中到处都存在着高能粒子，而这些粒子的能量也是由某种天然加速器产生的。

能够产生高能粒子的地方，可以被视为宇宙的天然加速器。

这些天然加速器的加速能力是非凡的。

此次发现的1.4拍电子伏特光子的能量相当于大型强子对撞机中质子能量的数百倍。

此次，我国新建的高空宇宙线观测站??（LHAASO）不仅发现了这种能量为1.4皮电子伏的光子，还发现了12个“皮电子伏超高能宇宙加速器”，这表明在银河系内部，自然这种类型的加速器很常见。

这些高能粒子的加速机制是什么？现有的高能粒子加速机制已无法完美解释这一新发现，迫切需要新的理论模型。

4.什么是高空宇宙线观测站??？大型高空空气簇射天文台（LHAASO）是世界上海拔最高（米）、最大、最灵敏的宇宙射线探测装置。

图例：LHAASO 透视图（来源：中科院高能物理研究所）。

高空宇宙线观测站??位于中国四川省稻城县海子山，面积约1.36平方公里。

其核心科学目标是：探索高能宇宙线的起源及相关的宇宙演化和高能天体活动，寻找暗物质；广泛寻找宇宙特别是银河系内的伽马射线源，并准确测量其能谱；揭示宇宙射线。

加速和传播定律，探索新的物理前沿。

5. LHAASO利用什么原理探测宇宙线？我们知道，LHAASO虽然位于高海拔地区，但它仍然处于大气层中。

当高能宇宙射线到达地球时，它们首先与大气中的原子核相碰撞。

根据爱因斯坦质能公式，可以产生二次粒子。

一级粒子也会产生二级粒子，直到能量降至某个临界值以下才会停止产生。

这样，一个高能粒子就可以产生N个二次粒子。

这些二次粒子像淋浴一样洒在地面上并朝向探测器，技术上称为“空气淋浴”。

因此，探测器直接探测到的实际上就是这些次级粒子。

通过测量这些次级粒子的性质，我们可以推断出第一个高能粒子的性质。

注：高能粒子产生大气簇射，LHAASO 探测器观测簇射（示意图）。

来源：《自然》杂志。

那么，LHAASO是如何检测到的呢？ LHAASO 使用四个探测器来测量这些次级粒子。

1、电磁粒子探测器阵列：用于测量宇宙射线气簇击中的二次电磁粒子，重建原始宇宙射线的方向、核心位置和能量。

检测介质为塑料闪烁体，通过波长位移光纤收集闪烁体中带电粒子产生的闪烁光，传导至光电倍增管，转换为电信号进行测量。

2、μ子探测器（MD）阵列：用于测量宇宙射线空气簇射中的μ子含量。

基本结构是在结构内部放置一个高反射率水袋。

水袋中充满超纯水。

水袋顶部中央安装有光电倍增管，收集μ介子进入水体产生的切伦科夫光，并将其转换为电信号。

进行测量。

3、水切伦科夫探测器阵列：通过观测二次粒子在大范围气簇撞击下在水中产生的切伦科夫光，达到对整个北方天空的极高、中、低能范围伽马源进行勘察和观测的目的。

目的是通过数据分析重建原始伽马射线或宇宙射线的到达方向、能量等参数。

4.广角切伦科夫望远镜阵列：测量大气中高能宇宙射线或高能伽马射线通过流星雨产生的切伦科夫光或荧光。

利用望远镜独特的可移动特性，通过分阶段阵列布局调整，并与其他探测器结合，可以精确测量宇宙线成分的能谱。

6、我国宇宙线研究发展简史。

我国宇宙线实验研究经历了三个阶段。

目前正在建设中的LHAASO是第三代高山宇宙射线实验室。

高山实验可以充分利用大气作为探测介质，在地面进行观测。