宇宙线起源的天文和物理交叉前沿专辑_编者按.pdf

中国科学: 物理学 力学 天文学 2015 年 第45 卷 第11 期: 119501 《中国科学》杂志社 SCIENTIA SINICA Physica, Mechanica Astronomica SCIENCE CHINA PRESS 宇宙线起源的天文和物理交叉前沿专辑 编者按 · 专辑· 宇宙线起源的天文和物理交叉前沿 编者按 一百年前, 人们为研究空气里异常放电现象的起源, 在海水下和隧道里, 在埃菲尔铁塔上和高山上, 还在 极具危险性的高空气球上开展了大量的实验, 最终发现了来自地球之外的宇宙线. 随后几十年中, 人们从宇 宙线研究中发现了众多的基本粒子, 在粒子物理学的发展中发挥了重要作用. 尽管目前世界上最大的 LHC 加 速器可以把质子能量加速到 7 TeV 左右, 但与自然的加速器相比, 仍相差千万倍的量级. 宇宙加速器是什么? 它们是如何工作的? 在如此高的能量下, 物理学基本规律是否会发生变化? 为回答这些科学问题, 今天的科 学家也与一百年前的前辈类似, 在地面、天上、海底还有冰下, 发明了各种方法, 通过多波段和多信使的观测 开展研究. 近十年是宇宙线研究的重大发展时期, 每个研究方向, 包括带电宇宙线、伽玛天文和中微子天文等许多方 面都获得了革命性的成果. 空间实验把 10 GeV 到TeV 能区的宇宙线研究带入到精确测量的时代, 发现了 10 GeV 以上能区的正负电子超出和TeV 能区的宇宙线能谱变硬等异常现象. 地面实验则精确测量了TeV 能区宇 宙线两维的各向异性, PeV 能区的宇宙线能谱和成分测量也日趋精确, 不同实验结果日趋接近. 此外, 亚 EeV 直至极高能的宇宙线的能谱和成分测量也获得了重要进展. 空间和地面伽玛天文实验发现了大量的品种繁多 的河内外新源, 使GeV 源的数量超过了3000, TeV 源的数量超过了150, 空间实验还发现了几十个高能伽玛射 线暴. 这些发现为宇宙线起源和高能天体辐射研究提供了大量的信息, 人们首次确认了两个超新星遗迹为高 可信度的银河系强子源; 以高红移的伽玛源为探针, 河外背景光的测量精度有了极大的改进; 量子引力效应 及星系际磁场模型也得到了更为严格的限制. 不久前, 南极冰立方实验(IceCube)在高能中微子观测方面也取 得了重大突破, 首次发现了来自地球之外的高能中微子. 这些重要成果把粒子物理学、天文学和宇宙学紧密的 联系在一起, 正预示宇宙线研究迎来了一个新的高速发展时期. 我国宇宙线研究具有悠长的历史. 20 世纪50 年代到70 年代, 研究人员在云南落雪山建立了宇宙线观测站, 80 年代转战到西藏5000 m 海拔的甘巴拉山, 后来又在海拔4270 m 的羊八井建成了举世闻名的羊八井观测站 且运行至今(2015 年). 羊八井的中日合作和中意合作实验在伽玛源观测, 宇宙线能谱测量和各向异性测量方 面都做出了重要的工作. 21 世纪里, 我国研究人员提出了更为宏伟的高海拔宇宙线观测站LHAASO 计划, 并 被列入国家发展和改革委员会“十二五”规划. LHAASO 项目的科学任务重大, 需要粒子和天文等领域的通力 合作. 为此, 我国宇宙线和天文学的研究人员于2014 年 12 月 17–19 日组织召开了以“宇宙线起源的天文和物 理