宇宙线研究进展-中国科学院高能物理研究所

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超高能宇宙线研究进展

超高能宇宙线研究进展
霍安祥;戴宏跃
【期刊名称】《自然杂志》
【年(卷),期】1989(000)006
【摘要】本期现代科学专题综述栏里,发表了两篇文章。

《超高能宇宙线研究进展》一文介绍了人类在对自己赖以生存的地球、太阳系之外的更加浩瀚无垠的空间的认识。

在目前的科学水平上,宇宙线是唯一的物质样品,人类正是把握这些射线来认识
宇宙的。

本文对此作了介绍,令人“大开眼界”。

【总页数】5页(P403-405,409-480)
【作者】霍安祥;戴宏跃
【作者单位】[1]中国科学院高能物理研究所;[2]中国科学院高能物理研究所
【正文语种】中文
【中图分类】N49
【相关文献】
1.羊八井宇宙线超高能粒子源与超高能伽玛天文现象观测研究的成果概揽 [J], 拉
巴次仁;孟宪茹;单增罗布;袁爱芳
2.极高能宇宙线的研究进展 [J], 吴飞;徐仁新
3.高能中微子和极高能宇宙线起源天体的理论研究 [J], 柳若愚
4.高海拔宇宙线观测站与超高能伽马射线源 [J], 柳若愚
5.宇宙线高能粒子对测试质量充电机制 [J], 韩瑞龙;蔡明辉;杨涛;许亮亮;夏清;韩建伟
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中国科学院粒子天体物理重点实验室

1142中国科学院粒子天体物理重点实验室中国科学院粒子天体物理重点实验室(以下简称实验室)依托单位为中国科学院高能物理研究所，其前身为1951年中国科学院近代物理研究所成立的宇宙线研究组，后演变为原子能研究所和高能物理研究所宇宙线室。

著名物理学家张文裕、王洽昌、肖健等曾任该室主任，著名物理学家钱三强、何泽慧始终关心并置身于该室的科学研究。

经中国科学院批准，宇宙线和高能天体物理开放实验室于1997年4月成立,2003年7月更名为粒子天体物理重点实验室。

实验室在2014年和2019年的中国科学院重点实验室评估中连续两次被评为A类。

目前，张双南研究员任实验室主任，蔡荣根院士任实验室学术委员会主任。

一、目标、定位与发展策略实验室面向国际科技前沿和国家战略需求，以揭示深层次的物质结构和大尺度的物理规律为目标,重点建设粒子天体物理学交叉学科，聚焦高能天体物理、宇宙线天体物理、中微子天体物理、暗物质、粒子宇宙学等研究方向，开展全方位(地下、高山和空间)、多波段(微波、光学、X射线和丫射线)、多信使(电磁波、中微子、宇宙线)的观测和探测研究，同时根据学科需要布局实验项目，发展核心技术，致力于建设特色鲜明、国际先进和领先的粒子天体物理领域高水平的基础理论和实验研究、新探测技术研发中心及高层次人才培养基地,取得重大和突破性科学成果,引领国际粒子天体物理领域的发展。

实验室的总体定位是：瞄准重大问题开展基础研究，针对学科前沿提出重大项目，建设实验平台提升仪器性能，发展核心技术支撑长远发展。

发展策略是:“四代同室”一成果一代、研制一代、预研—代、概念一代。

二、重要任务和成果实验室凭借在实验设计、探测器研制、观测数据处理、物理解释等方面的综合优势，提岀并承担或参与了多项粒子天体物理领域的大型实验项目。

空间X/丫射线天文观测与空间粒子探测:成功研制运行中国第一颗空间X射线天文卫星“慧眼”硬X射线调制望远镜(Insight-HXMT)卫星、天宫2号唯一的天文载荷Y暴偏振仪(POLAR),POLAR-2成功入选中国空间站首批科学实验;提出且即将发射引力波电磁对应体全天监测器(GECAM)；提出并正在预研国际合作天文台级X射线卫星项目“增强型X射线时变与偏振探测卫星(eXTP)”、中国空间站规划中的大型科学载荷之一高能宇宙辐射探测设施(HERD)；成功研制暗物质粒子探测卫星(DAMPE)主要载荷之一的硅阵列探测器(STK)、电磁监测试验卫星主要载荷之一的高能粒子探测器；提出并正在研制中法合作天文卫星空间变源监视器(SVOM)4个科学仪器之一的丫射线监视器(GRM)与爱因斯坦探针(EP)二个科学仪器之一的后随观测X射线望远镜(FXT)；实质参与国际空间站大型国际合作项目阿尔法磁谱仪(AMS-02)。

2023年度中国科学十大进展

中国科学十大进展Top Ten Scientific Advances in China引用格式：2023年度中国科学十大进展. 中国科学院院刊, 2024, 39(3): 582-587, doi: 10.16418/j.issn.1000-3045.20240229002.Top ten scientific advances in China, 2023. Bulletin of Chinese Academy of Sciences, 2024, 39(3): 582-587, doi: 10.16418/j.issn.1000-3045.20240229002. (in Chinese)2023年度中国科学十大进展“中国科学十大进展”遴选活动旨在宣传我国重大基础研究科学进展，激励广大科技工作者的科学热情，开展基础研究科学普及，促进公众了解、关心和支持基础研究，在全社会营造浓厚的科学氛围，已成为盘点我国基础研究领域年度重大科学成果的品牌活动。

2023年度第19届“中国科学十大进展”遴选活动由国家自然科学基金委员会主办，国家自然科学基金委员会高技术研究发展中心（基础研究管理中心）和科学传播与成果转化中心承办，《中国基础科学》《科技导报》《中国科学院院刊》《中国科学基金》《科学通报》5家编辑部协办，分为推荐、初选、终选、审议4个环节。

共推荐了2022年12月1日至2023年11月30日期间正式发表的600多项科学研究成果；由近100位相关学科领域专家从中遴选出30项成果；在此基础上邀请了包括中国科学院院士、中国工程院院士在内的2 100多位基础研究领域高水平专家对30项成果进行投票，评选出10项重大科学研究成果；经国家自然科学基金委员会咨询委员会审议，最终确定入选2023年度“中国科学十大进展”的成果名单。

1 人工智能大模型为精准天气预报带来新突破天气预报是国际科学前沿问题，具有重大的社会价值。

宇宙线高能光子探测器初步研究-中国科学院高能物理研究所

高能物理学会2010年会
12
几种可能的量能器设计
高能物理学会2010年会
13
钨-闪烁体夹层量能器
• • • • 面积 1m×1m 30 层 ( 30 辐射长度 ) 闪烁体条 0.5×0.5×100cm 使用30, 28, 24, 21, 20, 19, 18层数据重建
– 能量重建 – 角度重建（重心拟合法） – 粒子鉴别（TMVA）
Elayer / Evis
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3/ 2
var3 ln(EvisE ) layer /_ E var3 /layer Erec E vis last
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layer1
[ln Erec _ last ] 5

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layer E hotcell
layer layer E / N layer hotcell hotcell
• 对探测器的限制
– 探测器体积限制 – 探测器电子学道数限制
• 优化设计目的：在给定的探测器限制下给出最好的探测器性能
高能物理学会2010年会
11
探测器设计优化
• 通过蒙特卡罗模拟各种探测器钨-闪烁体夹层电磁量能器长条晶体堆叠电磁量能器反符合探测器锂玻璃中子探测器 • 需要考虑的探测器性能指标包括接收度，能量分辨率，角度分辨率，粒子鉴别等
– – – – 饱和效应温度效应单位辐射长度的重量耗电量
高能物理学会2010年会
21
粒子鉴别: TMVA
• TMVA
( Toolkit for MultiVariate Data Analysis )
:
– 一种通过机器学习方法完成事例识别的工具 –集成在 ROOT 软件里面 –机器学习方法包括增强决定树(Boost Decision Tree)、人工神经网络等等

天文科普之揭秘宇宙线打开宇宙之门的金钥匙

自1912年奥地利物理学家赫斯（Hess）乘坐热气球发现宇宙线以来，宇宙线研究已取得了很大成就，而我国创建的羊八井国际宇宙线观测站已成为世界一流宇宙线观测窗口。

时值第32次国际宇宙线学术大会之际，一场纪念宇宙线发现者HESS举办的公众报告，为国内的科学爱好者讲述宇宙线和高山观测，解开宇宙线的神秘面纱。

所谓宇宙射线，指的是来自于宇宙深处的高能粒子流，携带着宇宙起源、天体演化、太阳活动及地球的空间环境等科学信息，是一种宝贵的科学资源。

1912年，德国科学家韦克多·汉斯带着电离室在乘气球升空测定空气电离度的实验中，发现电离室内的电流随海拔升高而变大，从而认定这是来自地球以外的一种穿透性极强的射线所产生的，于是有人为之取名为“宇宙射线”。

宇宙射线的发现奥地利物理学家赫斯(VictorFranzHess,1883-1964)（右图）是一位气球飞行的业余爱好者。

他设计了一套装置，将密闭的电离室吊在气球下。

他乘坐气球，将高压电离室带到高空，静电计的指示经过温度补偿直接进行记录。

他一共制作了十只侦察气球，每只都装载有2～3台能同时工作的电离室。

1911年，第一只气球升至1070米高，辐射与海平面差不多。

1912年，他乘坐的气球升空达5350米。

他发现离开地面700米时，电离度有些下降（地面放射性造成的背景减少所致），800米以上似乎略有增加，而后随着气球的上升，电离持续增加。

在1400米～2500米之间显然超过海平面的值。

在海拔5000米的高空，辐射强度竟为地面的9倍。

由于白天和夜间测量结果相同，因此赫斯断定这种射线不是来源于太阳的照射，而是宇宙空间。

赫斯认为应该提出一种新的假说：“这种迄今为止尚不为人知的东西主要在高空发现……它可能是来自太空的穿透辐射。

轴子——粒子物理和宇宙学的新前沿

轴⼦——粒⼦物理和宇宙学的新前沿中国科学院⾼能物理研究所；；2. 暨南⼤学1. 中国科学院⾼能物理研究所⼀引⾔粒⼦物理、宇宙学和天⽂学的深度结合催⽣了当下粒⼦宇宙学研究的⾼速发展。

继2017 年引⼒波之后，2019 的物理学诺贝尔奖再次光顾了宇宙学领域，并颁给了从事宇宙学理论研究的Peebles 教授。

⽬前，正当宇宙学研究在观测层⾯⼤步前进时，理论家和实验家们近年来将⽬光投向新的宇宙学热点，⼀个长期被理论预⾔的基本粒⼦“轴⼦(Axion)”。

⼆粒⼦物理学中的CP问题轴⼦起源于现代物理中对称性及对称性破缺问题的深⼊研究。

1956 年李政道、杨振宁与吴健雄等⼈提出并在实验上验证了宇称P在弱相互作⽤中不守恒。

后来⼈们发现弱相互作⽤中正反粒⼦共轭(C)与宇称(P)的联合变换CP 也不守恒。

C 变换指的是将⼀个粒⼦变成它的反粒⼦，P 变换即空间坐标反演。

在粒⼦物理的标准模型中，Kobayashi和Maskawa 提出的机制在理论上成功解释了弱相互作⽤中的CP 破坏，并为此荣获了2008 年的诺贝尔物理学奖。

然⽽，强相互作⽤中的CP 对称性是否守恒仍是现代物理学中⼀个⼤问题。

在粒⼦物理标准模型中，强CP破坏效应对应于量⼦⾊动⼒学(QCD)中的Chern-Simons 项, 其中G是QCD规范场的场强，是相应的对偶场强，θ为常数，表征强作⽤CP 破坏⼤⼩。

这⼀项在CP变换下不守恒，并可以贡献到中⼦的电偶极矩。

然⽽实验测量只给出中⼦电偶极矩的上限，这个上限很强，要求“参数”θ必须⼩于。

θ为什么这么⼩？这便是著名的“强CP问题”。

在粒⼦物理标准模型中，除强相互作⽤项之外，对应于SU(2)×U(1)规范对称性，还应有两个θ项。

但这两个θ项⼀般情况下没有效应。

⼀是U(1)规范场的真空是平庸的，所以θ项效应为零。

SU(2)规范场的θ本不为零，但标准模型的经典拉⽒量中存在着整体的重⼦和轻⼦对称性。

⼆者⼜在量⼦层次都是被破缺的，也具有反常性质，故SU(2)的θ项效应也表现不出来。

宇宙线探测实验数据分析-IHEP

宇宙线探测实验数据分析1陈松战chensz@中科院高能物理研究所9月10-14日“粒子物理数据分析基础和前沿研讨会”@IHEP内容一、宇宙线入门宇宙线基本知识宇宙线研究的物理问题 EAS 及其探测中国宇宙线实验发展历史小结二、EAS 阵列宇宙线数据分析基础实验数据的仿真模拟实验数据的刻度数据的重建成分鉴别数据质量监测（月影与标准烛光Crab ）小结2三、天体源相关数据分析几个坐标系背景估计天图分析显著性估计伽马/质子鉴别品质因子流强估计能谱拟合小结四、几个物理分析实例GRB 的寻找全天区扫描扩展源分析 AGN 的监测宇宙线各向异性分析日地空间磁场的测量小结总结一、宇宙线入门3宇宙线基本知识宇宙线研究的物理问题EAS及其探测中国宇宙线实验发展历史1.1 宇宙线基本知识41912年﹐奥地利物理学家Hess乘坐气球五千米高空发现空气电离率升高，说明由地球外辐射（宇宙线）引起。

HESS result宇宙线的发现（1912）5宇宙线全粒子能谱宇宙线的能量从109到1021eV，跨越10多个量级，呈现一个简单的幂律形式，这表明其非热谱性质。

宇宙线：主要为核子，约87%质子，12%α粒子（氦核子），少量锂﹑铍﹑硼、碳﹑氮﹑氧等原子核﹐以及电子、γ射线和中微子。

气球和卫星实验EAS实验LHC6宇宙线能谱全粒子谱几个显著特征：4x1015eV ‘膝’4x1017eV ‘第二膝’1019eV ‘踝’1020 eV ‘GZK 截断’GZK膝踝1.2 宇宙线相关的物理问题7早期在基本粒子方面成果：正电子（1933）、µ子（1937）、π介子（1947）、K介子（1948）、Λ（1951）、Ξ重子（1952）和∑（1953）等。

现在研究内容转向天体物理，主要围绕三个基本问题：起源：宇宙线起源于何处？河内or河外？超新星？AGN？GRB？加速：宇宙线是如何被加速的？传播：星系间介质作用？星际磁场作用？与EBL，CMB作用？宇宙线的起源8宇宙线的起源是所有问题的核心，被称为“世纪之谜”。

西藏羊八井宇宙线国家科学观测研究站:历程、成就及建议

西藏羊八井宇宙线国家科学观测研究站：历程、成就及建议卢红;赵琳
【期刊名称】《工程研究-跨学科视野中的工程》
【年(卷),期】2010(002)001
【摘要】本文回顾了西藏羊八井宇宙线国家科学观测站的建立以及中日合作ASγ探测阵列和中意合作ARGO阵列实验项目的建设历程和所取得的科研成果.介绍了改进现有设备和引进多种探测手段,建设大型高海拔空气簇射观测站(LHAASO)开展交叉学科研究的未来设想.从研究目标的选择、国际合作、多学科交叉、敬业精神及科学工程对科学研究的意义等方面总结了观测站的示范意义与经验,并提出了观测站存在的问题和政策建议.
【总页数】12页(P53-64)
【作者】卢红;赵琳
【作者单位】中国科学院高能物理研究所,北京,100049;中国科学院高能物理研究所,北京,100049
【正文语种】中文
【中图分类】Q57
【相关文献】
1.西藏羊八井宇宙线观测站取得重要发现：——观察到一个10万亿电子伏特伽玛射线 [J], 贾焕玉
2.羊八井宇宙线观测数据实时传输及处理系统 [J], 聂思敏;张吉龙;谭有恒;卢红;王
辉
3.西藏羊八井宇宙线的观测与展望 [J], 盂宪茹
4.西藏羊八井宇宙线观测实验的国际一流学术展望 [J],
5.我校参加的西藏羊八井宇宙线观测站研究进展和近况 [J], 贾焕玉
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西藏宇宙线实验的回顾与展望

第一作者简介：单增罗布，，男藏族，西藏山南人，西藏大学理学院副教授、院长，主要研究方向为宇宙线物理。
— —６ — —源自单增罗布，陈天禄：西藏宇宙线实验的回顾与展望
作ＡＧ — ＪＲＯＹＢ实验开始预研，０１年该实验正式立项建设，０６年７月主探测器建成。２０２０２０自０６年运行至
第２７卷第２期
２１０２年１０月
西藏大学学报（自然科学版）
ＪＯＵＲＮＩＥＵＶＥＲｒＹＡＬＯＦＴＢＴＮＩＳＩ
Ｖｏ．７Ｎｏ２１．２
Ｏｃ．２２ｔ０１
西藏宇宙线实验的回顾与展望
单增罗布陈天禄
（西藏大学理学院西藏拉萨８００）５００
引言
宇宙线是来自地球外空间的高能亚原子粒子流，主要由质子，粒子（氦原子核）和其他各种原子核，
以及少量的电子、电子、正反质子、中微子和高能光子（线和射线）ｘ射构成。宇宙线由奥地利物理学家ＶＨｓ于１１．ｅｓ９２年在高空热气球实验中发现，它携带着宏观宇宙、微观世界和空间环境的科学信息，联系着宇宙的历史、天体的演化、空间的环境和许多未解的科学之谜。百年的宇宙线研究极大地推动了粒子物理学、天体物理学等学科的发展［１】。能量小于１０ｅ１ｅ１・Ｖ，ｅ１Ｊ的宇宙线可以通过卫星实０ＴＶ（ＴＶ＝Ｏ２ｌＶ＝０９ｅ）
今近７时间里，ＲＧ — Ｊ实验随着数据量的增加，在宇宙线和甚高能天文领域也取得了一定的成年ＡＯＹＢ绩。八井作为优良的宇宙线及交叉学科站址，测站还建有成像大气契仑可夫望远镜、阳中子探测器羊观太和望远镜、气观测设备、大亚毫米波望远镜等交叉学科观测设备。八井国际宇宙线观测被誉为国际上品羊

天津修船所参与研制改造中科院宇宙线τ中微子望远镜装置

求。油箱、油缸和管线路的电伴热系统设计具有体积小、输出功率高的特点，能在短时间内快速启动，自
动调控温度高低和电流大小，保证液压系统在高原严寒地区正常工作。
天津修船所承接的宇宙线下中微子望远镜装置改造的设计情况比较特殊、性能要求较高，该项目职工
能满足后续试验要求，中国科学院高能物理研究所于２００９年１２月委托天津修船所对这台设备进行升级改
造，由原天顶角０一０转动改造成方位角０。６。。～３０顺逆转动，天顶角０９。动，转动误差控制在６。。一０转０２以内，装置的所有执行机构满足远程操作。通过近一年的设计、制作、调试，改造后的望远镜装置于．。
控的需求变成了现实，数据同步方法的使用更增强了系统的可靠性，弥补了由于其他非人为因素影响造成的数据丢失，系统的成功不仅仅是实现了船舶燃油的有效监控，更重要的是系统建立了船端与岸端之间的一条可控的数据交换链，为船岸真正的实
现一体化奠定了基础。系统成果可推广应用到船舶
其他方面的监控上，如船舶航行状态，船舶其他系统的监控，有利于航运业的可持续发展。
收稿日期：２１０００— ７
包、发送，不需要进行任何人工操作。
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船岸两端互相进行数据同步，主要是指船岸两端均可进行邮件收发，此模块是数据同步的核心部分，

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1932, e+ 1937, μ 1947, π、Κ、Λ、Σ…
发现新粒子，了解电磁相互作用，了解弱相互作用，初步探索强相互作用.
’50 初，建造高能加速器成为必然趋势. 以加速器实验为基础，粒子物理获得巨大发展. 到‘70，电弱统一和QCD相继发展成熟， “粒子物理的标准模型”. 标准模型又被随后几乎所有的新实验结果所证实. 预言的一些粒子（除Higgs粒子）相继被发现.
• • • • • 地下 8 万吨水契仑可夫探测器； 3000 km2 的广延大气簇射阵列；大型精密空间磁谱仪；大气契仑可夫成像望远镜阵列； 250 kg 高纯NaI暗物质探测器; 等.
正在筹建的具代表性的如：
• • • ICEcube，1 km3 冰契仑可夫探测器； OWL和EUSO，覆盖～10万 km2面积的极高能宇宙线探测器; 地中海和贝加尔湖的深水契仑可夫探测器; 等.
二、宇宙学的最新进展
热大爆炸宇宙学的成功. 粒子物理新理论预言的所有粒子，所有相互作用在早期宇宙的极高温条件下都曾存在. 在宇宙膨胀、温度降低、在相应的对称性破缺的相变中，相应的粒子就可能保留下来，稳定的粒子就可能存活到今天，成为今日宇宙线的一个组分.
‘80以后，近期的宇宙线研究
主要的物理目标：寻找暗物质粒子，寻找反物质粒子，寻找质子衰变信号和磁单极子，寻找恒星塌缩中微子，观测太阳中微子、大气中微子，极高能量的宇宙线，具体的宇宙线源,等.
到上一世纪’80 初，宇宙线的观测和研究大致经历了:
• • • • 地面宇宙线现象学; 发现新粒子，了解粒子相互作用; 超高能宇宙线作用; 日地空间、太阳宇宙线、银河宇宙线.
八十年代初以后：
超过标准模型的粒子物理和宇宙学的结合.
两个方面的动因：一、粒子物理的最新发展
在“非一般物理条件下”，需要新的理论；具有更大对称性的理论，更大范围力的统一的理论. → 大统一、超对称、弦理论等. 对其检验和甄选，很难再依靠加速器实验，而非加速器实验（其中许多是宇宙线实验）则可以提供不可替代的机会.
这一特质，决定了宇宙线研究所具有的生命力. 近二十年，这一特质愈为充分地在宇宙线研究中显现.
1912年发现.
1912 - ’30 初，早期的宇宙线研究阶段.
地面上（大气层下）宇宙线的特性：强度随经度、纬度、方向、高度、时间等的变化. 大气层下宇宙线的现象学ห้องสมุดไป่ตู้究.
’30 初—’50 初，中期的宇宙线研究阶段.
’50 以后，宇宙线研究重点向两个方面转移：
1. 走向更高的能区
高于加速器能区的粒子相互作用研究, 观测广延大气簇射,
宇宙线能谱延续到1020eV以上 .
2. 走向空间观测
地外空间的宇宙线令人耳目一新.
辐射带、太阳风、太阳质子，宇宙线元素丰度，重核同位素，时钟同位素, 等.
日地空间环境，太阳宇宙线，银河宇宙线的起源、加速和传播.
重要研究的结果有：
SN1987A中微子，第一次观察到恒星塌缩中微子；太阳中微子和大气中微子的观测，中微子振荡的证据； >1020eV累积了～20个事例，引发了十分活跃的物理研究；在～TeV能区，确认了十来个银河的和河外的高能粒子源.
已经(或正在)建造一系列大型、精密的宇宙线观测设备，具代表性的如：
宇宙线研究进展
几十年来，何先生一直以极大的热情，持续地关注和支持我国的宇宙线研究:
研究方向的开拓, 研究课题的建立, 人员、经费, 指导、鼓励.
对宇宙线学科意义的重视 , 对相关学科之间深刻联系的洞察.
宇宙线—人们唯一可以获得的来自太阳系外的物质样品.
宇宙线是微观粒子，属于“非常小”的微观世界；宇宙线来自宇宙空间，联系于“非常大”的宇观世界. 天然地将非常小的世界与非常大的世界相联系.
前所未有地，天文学的发现极大地影响着粒子物理的前沿研究；前所未有地，粒子物理的建树极大地影响着天体物理及宇宙物理的进展；
大自然的两个极端，非常大的宇观世界和非常小的微观世界，所提出的问题缠绕在一起。
宇宙线研究，既具有联系着两个世界的特质，定会继续发挥重要的作用。
祝何泽慧先生健康长寿！