在四川省稻城县海子山海拔4410米的高原上建立的“拉索”高海拔宇宙线观测站（英文缩写LHAASO），主要目标是观测能量高达千万亿电子伏特的高能宇宙线。

    在探究宇宙的起源和演化中，高能宇宙线是一个重要的观测手段。虽然其起源目前尚不确定，但星系之间的碰撞、超新星爆炸、黑洞活动等宇宙现象产生时，一少部分高能宇宙线穿越银河系到达地球，成为人类了解和研究宇宙的重要手段。

    有望破解宇宙线起源之谜

    高能宇宙线可以分为两种：带电粒子和中性粒子。宇宙线中绝大多数都是带电粒子。宇宙中处处存在着磁场，比如银河系磁场、太阳系磁场和地球磁场。磁场会改变带电粒子的运动方向，所以我们无法从探测到的高能带电粒子活动中确定它的来源方向。但是，带电粒子与星际介质作用产生的高能光子在传播的过程中可以不受磁场影响。因此，在地球上观测到高能光子组成伽马射线的传播方向，就可以研究宇宙线的起源。

    高能宇宙线进入地球大气层时，不论粒子是否带电，都会与大气层物质的原子核撞击发生相互作用，产生次级粒子。随着入射深度增加，这些次级粒子又会与原子核作用产生更多新的次级粒子，次级粒子的链式反应引发雪崩式的“大气簇射”。

    宇宙线入射能量、入射方向和宇宙线成分构成决定大气簇射的整体径迹结构特征。同时，绝大部分簇射带电粒子在大气中的运动速率大于光在大气中的运动速率，从而引发切伦科夫辐射。此外，高能宇宙线的能量到达极高能区，次级正负电子激发氮气分子荧光辐射。“拉索”通过观测找到大气簇射的结构特征，反推出宇宙线入射地球前的基本信息，进而为研究宇宙线加速机制、传播过程，以及宇宙线的起源相关理论提供了实验观测支撑。

    用“触觉”“双视觉”捕捉宇宙线

    人类对于事物的感知可以通过触觉、视觉、听觉等，而“拉索”依靠它的“触觉”和“双视觉”对高能宇宙线基本信息进行测量。

    “拉索”的“触觉”，采用方圆一平方公里探测阵列（KM2A），通过在地面均匀排布5195个电磁粒子和1188个缪子探测器，直接接触到达地面的大气簇射产生的电子和缪子，实现对大气簇射次级粒子的直接量能探测。“拉索”的“双目视觉”，采用水切伦科夫探测器阵列（WCDA）和广角切伦科夫望远镜阵（WFCTA）：一方面在KM2A的中心安置水池，在水池底部接收切伦科夫光子；另一方面由18台望远镜对不同天区进行巡天观测，进而对大气簇射产生切伦科夫辐射现象进行观测。此外，WFCTA也可以用来探测极高能宇宙射线在大气层中产生的荧光。

    这些探测器对同时性的要求非常高，针对探测器的特点和需求，还开发了远距时钟在亚纳秒精度上的同步技术，并把它应用散布在方圆一平方公里范围的电子学系统。

    开启“超高能伽马天文学”时代

    “拉索”探测阵列内的1188个缪子探测器，专门用于挑选伽马光子信号，使之成为全球最灵敏的超高能伽马射线探测器。借助前所未有的灵敏度，在初步运行期间，“拉索”就探测到了来自蟹状星云能量超过PeV（拍电子伏）的伽马光子。这表明，银河系内普遍存在能够将粒子能量加速超过1PeV的宇宙加速器。而人类在地球上建造的最大加速器——欧洲核子研究中心的大型强子对撞机，只能将粒子加速到0.01PeV。

    能将宇宙线加速到PeV能量的天体，也被称为“拍电子伏特宇宙加速器”，该能量相当于医学诊断用的X射线能量（大约1万电子伏特）的1000亿倍。拍电子伏特宇宙加速器周围产生的“超高能伽马光子”信号非常弱，即便天空最为明亮且被称为“伽马天文标准烛光”的蟹状星云，发射出来的能量超过1PeV的光子，在一年内落在一平方公里的面积上也就1到2个，而这1到2个光子还被淹没在几万个宇宙线事例之中，分辨出伽马光子就像大海捞针一样。

    银河系内的宇宙线加速器存在能量极限，在此前只是个“常识”，过去预言的极限就在0.1PeV附近，从而预言伽马射线能谱在0.1PeV附近有“截断”现象。而“拉索”的发现完全突破了这个“极限”，大多数源没有截断。这就突破了此前流行的理论模型所宣称的银河系宇宙线能量极限，对重新认识银河系高能粒子的产生、传播机制，探索极端天体现象及其相关的物理过程，并在极端条件下检验基本物理规律有着重大意义。

    我们期待“拉索”取得更加激动人心的发现。

    （作者系中国科学院国家空间科学中心研究员）