大家好，我是黄晶，来自中国科学院高能物理研究所。我的研究方向是宇宙射线和高能伽马天文。

为什么要研究宇宙线呢？因为每时每刻都有大量的宇宙线穿过我们的身体，宇宙线跟人类息息相关。

宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子流，组成中绝大多数都是带电粒子，比如质子、阿尔法粒子（α粒子）、铁核等等，还有少量的中性粒子，比如伽马光子（γ光子）、中微子等等。

1912年，奥地利物理学家维克托·赫斯（Victor Hess）坐着热气球到了超过5000米的高空，发现了一种来自大气层外的辐射，就把它叫做宇宙线。也因此，于1936年获得了诺贝尔奖。

宇宙线的发现催生了粒子物理，也推动了人工加速器的出现。可是，宇宙线的发现距今已经超过100年了，科学家们还是不知道它到底来自何方，至今无法破解高能宇宙线起源这个世纪之谜。

宇宙线是天外来客，是宇宙的信使，它穿过厚厚的星际介质来到了地球。如果人类能溯源到它的诞生地，不就可以研究这个诞生它的星系了吗？诸如恒星演化历史、诞生地的天体物理环境信息，还有为什么这些星系能够把宇宙线加速到最高达到10的20次方电子伏特的这么高的能量等等，这些问题都可以被研究。

要研究宇宙线起源，第一步就是要确定宇宙线发出的方向。

我们发现宇宙线是带电粒子，而银河系内又处处存在着磁场，宇宙线在磁场里面早就偏转了方向，所以我们不知道它来自何方。

万幸的是，宇宙线穿过星际介质的时候，会跟星际介质里面的气体分子发生相互作用，产生π0介子。π0介子的寿命很短，很快就会崩坏，变成两个伽马光子。伽马光子是不带电的中性粒子，能够笔直地穿过银河系来到地球。

要是能够在地球上观测到这种伽马射线，再溯源它的反方向，不就能找到宇宙线的诞生之地了吗？本着这样的思想，科学界就发展了甚高能伽马天文这个学科。

国际上主要有这6个甚高能伽马射线天文实验。西藏羊八井ASγ实验是国际上最早建成的阵列实验，利用这个地面阵列实验就可以观测宇宙线中的γ射线。

既然有这么多伽马天文实验，那高能宇宙线起源到底找到了没有呢？我们的答案是：至今没有找到。

为什么利用伽马射线找宇宙线起源这么难呢？图中就是伽马射线在宇宙线里面的含量和分布。粉红色的是伽马射线，黑色的是宇宙线。伽马射线在宇宙线里面含量不到百分之一，被淹没在茫茫的宇宙线海洋里面。我们想要利用伽马射线来观测宇宙线起源无异于大海捞针。

于是科学家们就在想，那能不能到更高海拔的地方，在高山上观测伽马射线呢？那里的伽马射线不就更多一些吗？没错，这个想法很正确。

这张图就是宇宙线进入大气跟空气的原子核发生相互作用，产生在地面上能够观测到的宇宙线簇射的原理图。宇宙线跟空气中原子核的相互作用会产生大量的次级粒子，这些次级粒子就会像花洒一样地撒向大地，称为宇宙线簇射。次级粒子的数量在开始时急剧增加，到极大的位置之后，又会急剧衰减。

这张图红色字标注的地方叫做PeV膝区，PeV代表的能量是10的15次方电子伏特。这个能量正好对应着宇宙线次级粒子进入大气发展到极大量的位置，也就是图中鼓包的地方。

这个极大的位置很神奇，正对着我们西藏羊八井的高度。那只要把探测器摆在西藏羊八井这座高山上，对天观测，不就可以看到最多数量的伽马射线粒子了吗？所以，羊八井就被我们设为观测伽马射线和宇宙线的观测站，这里的观测效率最高。

1988年5月，我们把ASγ实验的观测站选在了羊八井这个地方。这个观测站还有一个特点就是拥有特别宽阔的平地，当时我们去的时候，那里几乎没有什么人，非常荒凉。这个宇宙线探测实验建成之后，就成了全国第一批入选科技部国家重点的26个野外台站之一。

西藏羊八井是一个非常漂亮且迷人的地方，风景优美，西北有万年雪山，北部有万年冰川，还有牧区。如果大家有感兴趣的，欢迎来我们西藏羊八井参观。

我是在1993年到日本留学，师从中日合作项目西藏ASγ实验日方创始人，因此有幸见证了整个实验的发展过程。这张图是我们刚刚在西藏羊八井建设的第一期实验，只有稀稀拉拉几台探测器，总共只有67台。

到了1999年-2002年之间的第三期实验就建成了一定的规模，总面积达到了4万平方米左右。但是，因为当年我们是国际上第一个建成的地面阵列实验，也没有其他可参考的对象，所以我们的探测器有一个严重缺点，就是只能测天上掉下来的粒子的方向和能量，但测不出来粒子到底是什么种类，是伽马射线还是宇宙射线。

前面说了，伽马射线在宇宙线里面含量只有百分之一都不到，那如何在茫茫宇宙线海洋里挑伽马射线呢？在长达十几年的时间里，我们一直走在黑暗之中，在伽马天文方面没有做出比较重大的研究成果。因此我们不得不开发新一代的创新型探测器。

我们要找的是PeV宇宙线源，也就是PeV质子加速器。什么叫做PeV质子加速器呢？能够将宇宙线内的质子加速至能量达到一个PeV程度的宇宙线源，也就是对应的天体源就叫做PeV质子加速器。质子是宇宙线里含量最多的，大约在90%以上。1 PeV也就是10的15次方电子伏特。找到PeV质子加速器就是我们这个实验的核心科学目标。

从左边这张图可以看到，在地面上观测宇宙线跟观测伽马射线的次级粒子在大气里面发展的情况时，我们发现宇宙线里面所含的缪子数目很多，但是伽马射线所含缪子量比较少。在同样能量的情况下，宇宙线含缪子数目约是伽马射线含缪子数目的两个数量级左右。

那么我们就想，能不能开发出一种巨大无比的探测器，它含有某个介质，能够让这个像漏斗一样的探测器把不需要的次级粒子信号过滤掉，只留缪子穿透这个探测器。

这个探测器开发的最终目的是能够数清楚这个缪子数目。数到含缪子数目多的，不就能确定是宇宙线了吗？含缪子数目少的不就是伽马射线吗？本着这样的出发点，我们就开发了创新型的探测器。

大家一定会想，这个探测器太神奇了，很高端。事实上我们开发出来的这个探测器就长这样子。这个探测器上面是一个2.5米深的土层。这个土层就能起到漏斗的作用，像筛子一样过滤掉我们不要的电子、伽马光子等其他次级粒子，仅让我们需要的缪子穿过土层，进入到土层下方水池中的水切伦科夫探测器。

缪子的能量很高，接近光速，进入到缪子探测器即水切伦科夫探测器以后，发出切伦科夫光，就能被探测器内的这个20英寸的光电倍增管接收到。光电倍增管接受信号之后，能够把微弱的光信号转为电信号后再放大倍增，这样就能被数据采集系统接收到。所以，通过这个缪子探测器，我们就能计算出接收到的信号所含缪子数目多还是少，根据这个再鉴别出接收到的到底是伽马射线还是宇宙线。

土层的深度是我们通过计算机蒙特卡洛模拟算出来的，刚刚好2.5米深就能够拦截电磁信号，只让缪子穿过。

因为我们要利用这种探测器观测大气簇射里大量次级粒子里的缪子数目，这需要一定的面积。所以我们通过计算，将水池的面积定为4500平方米。

在2007-2010年，我们做了3年的预先研究实验，验证了这样的地下缪子探测器能够实现我们的科学目标。

然后在2010-2014年完成了地下、地面探测器的重大升级改造，并在国际上首次利用表面阵列和地下缪子探测器联合观测，使100TeV以上的伽马射线观测灵敏度达到国际最高，取得了后来一系列的重大成果。

在2019年7月，我们观测到了国际首例能量超过100TeV的高能伽马射线，其最高能量达到了450TeV（450万亿电子伏特）,这刷新了原来的世界纪录75TeV。我们观测到的伽马射线的能量比原来的记录高了5倍，也比人工加速器高了1万倍。

我们还惊讶地发现，我们看到的这个伽马光子事实上是来自于最右图这个“蟹状星云”的方向，这是一颗1000年前爆发的超新星形成的脉冲星风云。于是我们结合唯像理论模型，证论了蟹状星云是天然的电子加速器，能够把电子能量加速到10的15次方电子伏特，也就是1个PeV。这是国际上第一次证论蟹状星云是有能力把电子加速到PeV量级的电子加速器。

那么接下来或许你们就会问，这是不是找到宇宙线起源了？还不能这么说，我们找到了PeV电子加速器，但是宇宙线里面含量最多的是质子，目前为止我们还没找到PeV质子加速器。

可能有的观众还会问，找到了电子加速器，曙光不就在眼前了吗？趁热打铁，不就能找到PeV质子加速器吗？

我们也是这么想的，当时非常兴奋，因为我们手头就有一堆的数据。图中黄色的这些事例就是当时我们手里的1000多万个事例，它既含缪子多的事例，也含缪子少的事例。接着我们根据地下缪子探测器挑出了缪子少的事例。挑完之后，仅剩下38个事例。

我们发现，这38个事例不是来自特定的已知源方向，都是弥散的伽马射线。而且它们还有一个特点，紧密地围绕着中间这个银河系银盘。可以看到，右图黄色亮斑集中分布在中间的银河系银盘上。

为什么在银盘附近呢？因为气体分子云在银河系内几乎都集中在银盘，银河系内的其他地方几乎没有。宇宙线穿过星际介质，跟气体分子云发生相互作用，产生π0介子。π0介子的寿命很短，崩坏时会产生伽马射线，那不就是我们找到的这几根伽马射线吗？它们的产生机制，不就是宇宙线 π0衰变产生的伽马射线吗？所以我们不就找到了PeV宇宙线加速器存在于银河系的证据了吗？

我们找到的这些黄色亮斑事例的能量都达到接近1PeV，它的母粒子——质子的能量接近了10PeV。所以这是国际上首次用实验证认了PeV质子加速器在银河系内的存在，并且证明了这种PeV质子加速器不止有一个，而是有好多个。因为这些黄色的弥散伽马射线充满了银盘整个空间，如果背后是电子加速机制，那这些弥散伽马射线不可能有这么宽的空间分布。所以，我们在国际上首次证明了这些弥散的伽马射线不是电子起源，它就是因PeV质子加速器产生的。

那么到底我们找到宇宙线起源了吗？

为了方便大家理解，我在这里画了一幅漫画。恐龙就是我们要找的目标——PeV质子加速器。我们找到了“恐龙”经过银河系的足迹，也就是充满银盘的、弥散的伽马射线被我们找到了，可是我们还是没有找到“恐龙”确切的位置，也就是没有找到“恐龙”对应的天体源。这事实上也是科学的魅力。

这个发现已经极大地推动了寻找PeV质子加速器世纪之谜的进程，可是我们至今还是没有找到PeV质子加速器对应的具体天体源。

那么是不是只有我们找不到呢？

这是国际上目前为止仅有的三家有能力观测PeV质子加速器的实验组，但大家都没有找到PeV质子加速器对应的具体天体源的确切证据，要找到PeV质子加速器太难了。

图中灰色的区域是我们观测不到的区域，因为上述三家实验都集中在北半球，而灰色的区域在南半球。图中红色圈起来的位置叫银心，是恒星剧烈运动的聚集地，它就是候选的PeV宇宙线源聚集地。那么我们要观测它，第一件事就是要考虑是否需要把这个探测器搬到南半球。

因为银心是大量恒星剧烈运动聚集地，恒星大质量黑洞并合发出伽马射线以及伽马暴。这些伽马射线能量都很低，都只有100GeV左右，目前国际上实验组暂时都做不到大面积观测这些较低能量的伽马射线。所以我们要搬到南半球去还得干一件事，就是让我们的探测器阈能降下来。

这就是我们西藏ASγ实验的下一步的工作，主要分了两个阶段。第一步，在2020—2025年发展ASγ的南半球实验，目前在玻利维亚Chacaltaya高原海拔4740米处的第一期实验已经基本建成了，到2025年就会发展成跟现在西藏羊八井一样的实验规模。这也是国际上能够用相同设备进行南北半球联合观测的第一个实验。

下一步还要开发刚才说到的新技术，把探测器阈能降到100GeV。我们的天上有卫星实验、气球实验，地下有中微子实验、高山实验。那么打开脑洞想，如果开发出一种巨大的探测器放在不同的海拔处，那样就能观测到不同海拔上次级粒子簇射进入探测器的样子了。

宇宙线中强子比较多，强子进入探测器后，只有在比较深的层才会发出信号，而伽马射线不是强子，只有上面几层有信号，而下面几层无信号。利用不同层观测器观测粒子簇射是否有信号，也能区分宇宙线跟伽马射线。

所以利用这样的立体水切伦科夫探测器，我们设计建造了最右边这张图。我们把这个8米深的水池分成5层，就分别模拟在海拔5000米、2500米、地表，再加上地下0.5米和1米深的土层，这样相当于在不同海拔观测这样的簇射，是一种立体多维的探测，我们还让伽马射线探测的灵敏度又比原来提高了10倍。

利用这样的第三代ASγ实验实现南北联合观测有很重要的科学意义。我们的首要目标还是整个工作的核心的科学目标：寻找PeV宇宙线源。除此之外，第三代ASγ实验还可以寻找大量的银河系外过来的活动星系核（AGN或AGN瞬态事件），以及费米泡泡，费米泡泡是典型的、强烈的PeV宇宙线源的候补。还要找引力波电磁对应体。以及利用我们的新探测器跟美国的冰立方实验进行多波段联合观测。并且还可以探索可能存在的伽马暴、暗物质等等。

我们来看一下ASγ实验发展的三个阶段：

第一个阶段时，探测器只有一层，无法鉴别宇宙线粒子到来的种类；第二个阶段我们有了地下缪子探测器，使得我们有能力鉴别伽马射线跟宇宙线，使得伽马射线探测灵敏度提高了10倍。最右边是第三阶段，我们利用南北半球联合观测，再加上我们开发的新技术立体观测，使得伽马射线的观测灵敏度又比第二个阶段提高了10倍，并且探测器的阈能降到100GeV。

我从第一个阶段参加这个实验，到第二阶段主持这个实验，现在进行到了下一个阶段。我要带领西藏ASγ团队，通过国际首个南北半球联合观测，并利用立体水切伦科夫技术来观测、挑战PeV宇宙线起源的世纪之谜。

我的导师曾经跟我说过，人的一辈子最多只能做三个实验。这里的实验指的是大科学装置实验。而我的人生基本上也恰好经历了这三个实验。

最后用这张图片来结束我今天的报告。这是从羊八井地下缪子探测器内部看到的羊八井外面的天空，这不就是我今天的题目《从深水望向深空：挑战宇宙线起源之谜》吗？

所以，热烈欢迎感兴趣的年轻人加入我们，一起来挑战这个宇宙线起源的世纪之谜。

谢谢大家！