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特寫:她捉到宇宙中最高能量的光子

北京
2019-10-30 11:06

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新華社北京10月30日電(記者喻菲)西元1054年,北宋天象官目睹了宇宙中最震撼的景象:一顆超新星爆發。近一千年後的2019年,中日科學家從這場宇宙級焰火的遺跡--蟹狀星雲中探測到迄今能量最高的光子。這一發現被《物理評論快報》作為高亮點文章發表。

紮著馬尾辮,容貌秀麗的中日合作西藏羊八井ASgamma實驗中方負責人黃晶介紹,這一進展標誌著超高能伽馬射線天文觀測進入到100TeV(1TeV=1萬億電子伏特),打開觀測宇宙的新視窗。

宇宙中除了星辰,還隱藏著一個巨大的秘密。無數神秘的粒子正以接近光的速度飛馳,這些神秘的粒子就是宇宙線。

宇宙線給人們帶來了太陽系以外唯一的物質樣本,攜帶著其產生地"源"天體及其經過的空間環境,乃至天體演化及宇宙早期的奧秘,是人類探索宇宙的重要途徑。

在宇宙線發現後的100年間,與之相關的研究獲得了5次諾貝爾獎,但人類還不清楚高能宇宙線的主要來源。什麼樣的物理過程把這些粒子加速到如此之高的能量?在從其發源地傳播到地球這一漫長而遙遠的旅途中經歷了什麼?它們在宇宙演化各個階段起什麼作用?

黃晶記得童年時代的夏夜,她在福建老家院中乘涼,一位讀過大學的鄰居搖著一把畫滿星座的摺扇給大家講故事。滿天繁星讓她對宇宙心馳神往。

1993年黃晶大學畢業去日本東京大學宇宙線研究所深造。當時日本粒子物理學界正在不斷產生諾貝爾獎獲得者。她的老師是中日合作羊八井實驗的日方創始人。在日本讀研期間,黃晶已經跟隨老師到西藏羊八井開展觀測。

她說:"宇宙線探測與國家實力的發展有很大關係,我們都能切身感受到。"上世紀八九十年代中日合作的實驗中,中方既無經費也無技術,只建設了安放資料獲取系統的土坯房。一直到2000年左右,中國的經費才逐漸增加。

2008年黃晶回國,到中國科學院高能物理所創立自己的實驗室。當時只有三間空蕩蕩的屋子,差點就要在地上做實驗了。她帶著學生找來廢棄的桌椅搭建起實驗室。探測器組裝完成後無法測試,她的學生用自行車馱著儀器在高能物理所裡轉,好不容易借了一間實驗室,利用週末測試設備。

2012年,黃晶開始擔任中日合作羊八井ASgamma實驗的中方負責人。

為了探尋宇宙線的答案,黃晶曾在西藏遇到生命危險。

有一次,黃晶帶領學生在羊八井觀測站安裝實驗設施,遇上沙塵暴,人幾乎要被風吹跑了。他們或趴著或跪著在狂風中把設備安裝好。

還有一次,黃晶在羊八井發燒快到40度,且有很強的高原反應。當地僅有一個簡陋的衛生所,由於是假期,只有一位男醫生值班,沒有會輸液的護士。如果不立即輸液,黃晶有生命危險。曾為照顧母親學過輸液的黃晶請醫生找來器具並按住自己的胳膊,當她給自己扎針頭時,感覺到男醫生的手在發抖。黃晶脫離危險後醫生感歎道,從未見過這樣的女人。

羊八井ASgamma實驗雖然條件簡陋,卻取得了豐碩的成果。2014年,中日雙方共同出資完成實驗重大升級改造,成為目前20TeV以上能區國際最靈敏的伽馬天文望遠鏡。

羊八井ASgamma實驗最新成果引起國際學界關注。此前,許多世界上頗具影響力的科學家都認為不可能有超過100TeV的伽馬射線。

"但是我們計算應該是存在的,我們堅持去做觀測實驗。"黃晶說,"這次的新發現打開了100TeV以上觀測伽馬射線的新視窗。能取得這樣的進展,是由於我們開發出了創新型的探測器,大大提高了靈敏度。雖然國際上有十多家宇宙線實驗組,但是我們從來沒有在實驗方法上跟風,我們靠的是觀測技術的創新。"

黃晶說,宇宙線實驗從設計、研製、驗證、實施到最後出成果,是一個漫長的過程。面對浩瀚的宇宙,她一生最多只能做好三個實驗,每一個需要堅持二三十年。

"我第一個實驗是跟著日本老師做的,第二個在羊八井,第三個就是在四川稻城正在建設的高海拔宇宙線觀測站。我們要埋頭苦幹,不斷創新,更要持之以恆。"她說。

"我們國家經濟發展了幾十年,如果沒有國家強大,就不會有錢來研發探測器,就不會有我們自己的核心技術。中國現在有錢了,但是技術和經驗還需要長期積累。"黃晶說,"宇宙線發現一百多年了,起源之謎還沒有答案,很有可能是中國人解答這個世紀之謎。"
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