LHAASO：宇宙線電子測量的前沿探索與多陣列聯(lián)合研究一、引言1.1研究背景與意義宇宙線，作為來自宇宙空間的高能粒子流，主要由質(zhì)子、氦核以及少量的重核、電子、光子和中微子等組成。這些粒子以接近光速的速度在宇宙中穿梭，自1912年被發(fā)現(xiàn)以來，一直是天文學(xué)和物理學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。宇宙線攜帶著宇宙起源、天體演化、太陽活動及地球空間環(huán)境等重要科學(xué)信息，對其研究有助于人類深入理解宇宙的奧秘。例如，宇宙線的起源問題是當(dāng)代天體物理學(xué)最重大的前沿科學(xué)問題之一，探索宇宙線的起源可以幫助我們了解宇宙中高能物理過程的發(fā)生機(jī)制，以及宇宙早期的演化歷史。宇宙線的研究對于高能物理的發(fā)展也具有重要意義。宇宙線中的粒子能量極高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了地球上人造加速器所能達(dá)到的能量水平。通過研究宇宙線，科學(xué)家可以探索在極端高能條件下的物理規(guī)律，檢驗(yàn)和發(fā)展粒子物理理論。例如，一些理論模型預(yù)測了新粒子的存在，而宇宙線實(shí)驗(yàn)可以提供尋找這些新粒子的機(jī)會。此外，宇宙線與星際介質(zhì)的相互作用，以及宇宙線在傳播過程中的能量損失和散射等現(xiàn)象，也為研究物質(zhì)與能量的相互作用提供了獨(dú)特的視角。然而，宇宙線的研究面臨著諸多挑戰(zhàn)。由于宇宙線是帶電粒子，在星際空間傳播時會受到星際磁場的影響，其運(yùn)動方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致無法直接通過觀測宇宙線的到達(dá)方向來追溯其源頭。這為尋找宇宙線源帶來了極大的困難。為了克服這些挑戰(zhàn)，科學(xué)家們發(fā)展了多種探測技術(shù)，包括地面探測器和空間探測器等。地面探測器主要觀測宇宙線進(jìn)入大氣層后產(chǎn)生的廣延大氣簇射，通過探測簇射中的次級粒子來推斷宇宙線的性質(zhì)；空間探測器則直接在大氣層外測量原始宇宙線的成分和能量。在眾多宇宙線探測項(xiàng)目中，高海拔宇宙線觀測站（LargeHighAltitudeAirShowerObservatory，LHAASO）具有獨(dú)特的優(yōu)勢和重要的地位。LHAASO位于中國四川稻城海子山，平均海拔4410米，是我國以宇宙線觀測研究為核心的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。其占地面積約1.36平方公里，由5216個電磁粒子探測器和1188個繆子探測器構(gòu)成的1平方公里地面簇射粒子探測器陣列（KM2A）、7.8萬平方米的水切倫科夫探測器陣列（WCDA）、18臺廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡（WFCTA）等三大陣列組成，采用4種探測技術(shù)，可全方位、多變量地測量來自于高能天體的伽馬射線和宇宙線。LHAASO的建設(shè)和運(yùn)行，為宇宙線研究帶來了新的機(jī)遇。它具有世界上最靈敏的超高能伽馬射線探測裝置，能夠探測到更多的超高能伽馬射線源，為研究宇宙線的起源提供了重要線索。例如，LHAASO在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)了12個超高能伽馬光源，這些光源被認(rèn)為是超高能宇宙加速器候選天體，它們的發(fā)現(xiàn)開啟了“超高能伽馬天文學(xué)”時代。此外，LHAASO還精確測定了“標(biāo)準(zhǔn)燭光”蟹狀星云的超高能段亮度，發(fā)現(xiàn)了1拍電子伏伽馬輻射，挑戰(zhàn)了理論極限。在宇宙線電子測量方面，LHAASO也具有重要的預(yù)期成果。宇宙線電子能譜的精確測量可以幫助我們了解宇宙線的加速和傳播機(jī)制，以及星際介質(zhì)的性質(zhì)。LHAASO的高靈敏度和寬能段探測能力，有望在宇宙線電子測量方面取得突破，為相關(guān)理論的發(fā)展提供更精確的數(shù)據(jù)支持。同時，LHAASO與其他探測器陣列的聯(lián)合研究，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，提高對宇宙線的探測精度和研究水平。例如，通過與空間探測器的聯(lián)合觀測，可以更全面地了解宇宙線在不同能量范圍和空間位置的特性，進(jìn)一步揭示宇宙線的起源和演化奧秘。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在宇宙線電子測量領(lǐng)域，國內(nèi)外眾多科研團(tuán)隊(duì)通過地面和空間探測器開展了大量研究，取得了一系列重要成果，同時也面臨著各自的局限。在空間探測器方面，我國發(fā)射的暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空”號表現(xiàn)卓越。其核心使命是在宇宙線和伽馬射線輻射中尋找暗物質(zhì)粒子存在的證據(jù)，并進(jìn)行天體物理研究?！拔蚩铡碧柌捎昧俗灾魈岢龅姆直媪Ｗ臃N類的新探測技術(shù)方法，實(shí)現(xiàn)了對高能（5GeV-10TeV）電子、伽馬射線的觀測。在軌運(yùn)行的前530天共采集了約28億高能宇宙射線，其中包含約150萬25GeV以上的電子宇宙射線，成功獲取了目前國際上最精確的電子宇宙射線探測結(jié)果。首次直接測量到了電子宇宙射線能譜在～1TeV處的拐折，該拐折反映了宇宙中高能電子輻射源的典型加速能力，其精確的下降行為對于判定部分（能量低于1TeV）電子宇宙射線是否來自于暗物質(zhì)起著關(guān)鍵性作用。然而，“悟空”號的探測范圍仍存在一定限制，對于更高能量的宇宙線電子測量存在挑戰(zhàn)。由諾貝爾獎獲得者丁肇中教授領(lǐng)導(dǎo)的阿爾法磁譜儀（AMS）實(shí)驗(yàn)同樣成果顯著。AMS是世界上唯一的太空磁譜儀，安放在國際空間站上，收集了全球最為豐富的宇宙線數(shù)據(jù)。山東高等技術(shù)研究院許偉偉教授團(tuán)隊(duì)通過AMS首次在世界上精確測量了宇宙線電子流強(qiáng)，揭示了太陽系內(nèi)宇宙線傳播的新規(guī)律。AMS實(shí)驗(yàn)利用國際空間站這一獨(dú)特平臺，在更高能段、更寬時間跨度和更廣空間范圍內(nèi)進(jìn)行觀測，但設(shè)備的維護(hù)和升級難度較大，數(shù)據(jù)處理也面臨巨大挑戰(zhàn)。國外的費(fèi)米衛(wèi)星（Fermi-LAT）也是重要的宇宙線探測設(shè)備。費(fèi)米衛(wèi)星在伽馬射線和宇宙線觀測方面發(fā)揮了重要作用，對宇宙線電子的能譜測量提供了大量數(shù)據(jù)。但由于其探測原理和技術(shù)的限制，在低能段宇宙線電子測量的精度有待提高，且對一些復(fù)雜的宇宙線電子現(xiàn)象解釋能力有限。地面探測器方面，位于美國的高海拔水切倫科夫探測器（HAWC），占地面積較大，對伽馬射線和宇宙線的探測有一定優(yōu)勢，能夠探測到大量的宇宙線事件，為宇宙線電子研究提供了豐富的數(shù)據(jù)。但HAWC在粒子鑒別能力上相對較弱，對于宇宙線電子與其他粒子的區(qū)分不夠精確，影響了宇宙線電子測量的準(zhǔn)確性。而我國的高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）具有獨(dú)特優(yōu)勢。它采用4種探測技術(shù)，由5216個電磁粒子探測器和1188個繆子探測器構(gòu)成的1平方公里地面簇射粒子探測器陣列（KM2A）、7.8萬平方米的水切倫科夫探測器陣列（WCDA）、18臺廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡（WFCTA）等三大陣列組成。LHAASO的探測面積大、能量覆蓋范圍寬，對超高能宇宙線電子具有較高的探測靈敏度，能夠全方位、多變量地測量宇宙線電子。然而，LHAASO也面臨著數(shù)據(jù)處理和分析的巨大挑戰(zhàn)，由于其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量龐大，如何高效準(zhǔn)確地從海量數(shù)據(jù)中提取宇宙線電子信息是亟待解決的問題。1.3研究目的與創(chuàng)新點(diǎn)本研究旨在深入探究LHAASO對宇宙線電子測量的獨(dú)特價值，并充分挖掘其與多陣列聯(lián)合研究的優(yōu)勢，從而為宇宙線研究領(lǐng)域帶來新的突破和進(jìn)展。在宇宙線電子測量方面，LHAASO的高海拔優(yōu)勢使其能夠更有效地探測到宇宙線與大氣層相互作用產(chǎn)生的次級粒子。其采用的多種探測技術(shù)，包括電磁粒子探測器、繆子探測器、水切倫科夫探測器和廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡等，能夠全方位、多變量地測量宇宙線電子。本研究將利用LHAASO的這些優(yōu)勢，精確測量宇宙線電子能譜，確定能譜中的特征結(jié)構(gòu)，如拐折和精細(xì)結(jié)構(gòu)的位置與形狀，為揭示宇宙線電子的加速和傳播機(jī)制提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。通過LHAASO與其他探測器陣列的聯(lián)合研究，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，是本研究的另一重要目的。例如，與空間探測器如“悟空”號、AMS等聯(lián)合觀測，可在不同能量范圍和空間位置對宇宙線電子進(jìn)行測量?？臻g探測器能夠直接測量原始宇宙線電子，而LHAASO則擅長探測高能宇宙線電子在大氣層中產(chǎn)生的次級粒子，兩者結(jié)合可以更全面地了解宇宙線電子的特性。與地面其他探測器如HAWC等聯(lián)合，可增加宇宙線電子事件的統(tǒng)計(jì)量，提高測量精度，共同探索宇宙線電子的起源和傳播路徑。本研究的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個方面。在探測技術(shù)融合上，LHAASO獨(dú)特的多技術(shù)探測體系，能夠同時獲取宇宙線電子的多種信息，如能量、方向、電荷等，這是以往單一探測技術(shù)所無法實(shí)現(xiàn)的。通過將這些信息進(jìn)行綜合分析，有望發(fā)現(xiàn)新的宇宙線電子現(xiàn)象和規(guī)律。在數(shù)據(jù)分析方法上，面對LHAASO產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，將采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，從復(fù)雜的數(shù)據(jù)中提取出有價值的宇宙線電子信息，提高數(shù)據(jù)分析的效率和準(zhǔn)確性，為宇宙線電子研究提供新的數(shù)據(jù)分析思路。在多陣列聯(lián)合研究模式上，構(gòu)建LHAASO與其他探測器陣列的協(xié)同觀測網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時共享和聯(lián)合分析，打破傳統(tǒng)探測器各自為戰(zhàn)的局面，開創(chuàng)宇宙線研究的新局面，為解決宇宙線起源等重大科學(xué)問題提供新的途徑。二、LHAASO概述2.1LHAASO的建設(shè)與發(fā)展高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）的建設(shè)與發(fā)展歷程是中國在宇宙線研究領(lǐng)域不斷探索與突破的生動寫照，它凝聚著科研人員的智慧與心血，彰顯了中國在該領(lǐng)域從追趕到引領(lǐng)的堅(jiān)實(shí)步伐。20世紀(jì)80年代末，中國科學(xué)院高能物理研究所研究員譚有恒提出在西藏建立第一代伽馬天文探測器——羊八井宇宙線國際觀測站的設(shè)想，這一設(shè)想為后續(xù)LHAASO的誕生奠定了基礎(chǔ)。1992年，譚有恒的學(xué)生曹臻成為羊八井宇宙線國際觀測站的第一個值班人員，中國宇宙線研究團(tuán)隊(duì)在羊八井積累了寶貴的觀測經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)基礎(chǔ)。隨著國際宇宙線研究的不斷發(fā)展，對更先進(jìn)觀測設(shè)備的需求日益迫切。2009年，在北京香山科學(xué)會議上，中科院高能所曹臻研究員提出在高海拔地區(qū)建設(shè)大型復(fù)合探測陣列“拉索”（LHAASO）的完整構(gòu)想，旨在探索高能宇宙線起源并開展相關(guān)的高能輻射、天體演化甚至于暗物質(zhì)分布等基礎(chǔ)科學(xué)的研究。2015年12月31日，“拉索”方案經(jīng)過中科院和國家層面的層層選拔后脫穎而出，獲得國家發(fā)改委批準(zhǔn)立項(xiàng)，由中科院和四川省政府共建，中科院成都分院與中科院高能所承擔(dān)建設(shè)。選址團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)5年，跑遍西藏、青海、云南、四川等具備高海拔特征的區(qū)域，最終確定四川省稻城縣海子山為建設(shè)地點(diǎn)。這里平均海拔4410米，空氣稀薄，能減少大氣對宇宙線粒子的影響；地勢平坦，擁有充足的水資源，可滿足大量超純凈水的需求；同時，各級地方政府高度重視，大力支持，為項(xiàng)目的順利開展提供了有力保障。2017年11月，LHAASO主體工程正式動工。考慮到高原氣候瞬息萬變，低溫、暴雪、大雨等惡劣天氣頻繁，施工時間受限（每年5月到10月底，不到6個月），項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)提出“邊建設(shè)，邊運(yùn)行”的創(chuàng)新思路。按照設(shè)計(jì)，LHAASO工程包括1平方公里電磁粒子探測器陣列和有效面積達(dá)42000平方米的繆子探測器陣列、以測量簇射粒子在水中產(chǎn)生的切倫科夫光為探測技術(shù)的78000平方米探測器陣列、18臺廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列。第一年先建1/4，運(yùn)行半年，然后再建1/4，湊成1/2，再運(yùn)行半年，逐步推進(jìn)建設(shè)工作。在建設(shè)過程中，科研人員和工程團(tuán)隊(duì)克服了重重困難。例如，海子山場地河道遍布，沼澤眾多，工作人員只能在石頭上跳躍前行；在設(shè)備安裝和調(diào)試過程中，要應(yīng)對高海拔環(huán)境下的低溫、缺氧等問題，保障設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。2019年4月，LHAASO的1/4規(guī)模探測裝置投入試運(yùn)行；2021年7月，全規(guī)模探測裝置投入試運(yùn)行，并于同年10月17日通過工藝驗(yàn)收。2023年5月10日，LHAASO順利通過國家驗(yàn)收，標(biāo)志著這一國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施正式邁入全面開放運(yùn)行階段。在建設(shè)期間，LHAASO就已取得了令人矚目的科學(xué)成果。2020年1月，科研人員通過尚未完全建成的LHAASO發(fā)現(xiàn)，銀河系內(nèi)普遍存在能夠?qū)⒘Ｗ幽芰考铀俪^1拍電子伏特的超高能宇宙線加速器，這一發(fā)現(xiàn)超出了天體物理學(xué)家的預(yù)期，成果于2020年5月17日發(fā)表于《自然》雜志，被期刊專業(yè)副主編評價為“真正的突破”和“新時代的開始”。2020年7月9日，《科學(xué)》雜志發(fā)表了LHAASO的另一項(xiàng)成果：科研人員利用LHAASO精確測量了高能天文學(xué)標(biāo)準(zhǔn)燭光——蟹狀星云的亮度，在更廣的能量范圍內(nèi)為超高能伽馬光源測定了新標(biāo)準(zhǔn)，并確定在大約僅為太陽系1/10大小的星云核心區(qū)內(nèi)，存在能力超強(qiáng)的粒子加速器，直逼經(jīng)典電動力學(xué)和理想磁流體力學(xué)理論所允許的加速極限。從提出構(gòu)想到最終建成運(yùn)行，LHAASO歷時13年多，它充分利用特定地域的高海拔條件和先進(jìn)技術(shù)優(yōu)勢，成為目前世界上最靈敏的超高能伽馬射線探測裝置、世界上靈敏度最高的甚高能伽馬射線源巡天普查望遠(yuǎn)鏡，以及能量覆蓋范圍最寬的超高能宇宙線復(fù)合式立體測量系統(tǒng)。LHAASO的建成運(yùn)行，使其成為國際粒子天體物理三大實(shí)驗(yàn)設(shè)施之一，對促進(jìn)該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大原創(chuàng)突破、帶動前沿交叉相關(guān)學(xué)科發(fā)展和國際合作具有重要意義，也確立了中國在國內(nèi)外宇宙線研究領(lǐng)域的重要地位，為后續(xù)深入研究宇宙線奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。2.2LHAASO的組成與探測原理LHAASO作為一個綜合性的宇宙線觀測站，由多個不同類型的探測器陣列組成，每個陣列都有其獨(dú)特的工作原理，它們相互協(xié)同，共同實(shí)現(xiàn)對宇宙線電子的精確探測。電磁粒子探測器（ED）是LHAASO的重要組成部分，其工作原理基于宇宙線與物質(zhì)的相互作用。當(dāng)宇宙線電子進(jìn)入探測器后，會與探測器中的物質(zhì)發(fā)生電磁相互作用，產(chǎn)生一系列的次級粒子，如電子、正電子和光子等。這些次級粒子在探測器中繼續(xù)與物質(zhì)相互作用，形成電磁簇射。電磁粒子探測器通過探測電磁簇射中的電子和光子，來測量宇宙線電子的能量和方向。具體來說，探測器中的閃爍體在受到粒子撞擊時會發(fā)出閃爍光，光電倍增管將閃爍光轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過信號放大和處理后，就可以得到關(guān)于宇宙線電子的相關(guān)信息?？娮犹綔y器（MD）主要用于探測宇宙線簇射中產(chǎn)生的繆子?？娮邮且环N不穩(wěn)定的基本粒子，壽命較短，但在宇宙線簇射中會大量產(chǎn)生?？娮犹綔y器利用繆子與物質(zhì)相互作用時產(chǎn)生的電離效應(yīng)來探測繆子。探測器通常由多層的閃爍體或氣體探測器組成，當(dāng)繆子穿過探測器時，會使探測器中的物質(zhì)發(fā)生電離，產(chǎn)生電信號。通過測量電信號的強(qiáng)度和時間，可以確定繆子的能量、方向和到達(dá)時間等信息。繆子探測器對于區(qū)分宇宙線中的質(zhì)子和電子等粒子具有重要作用，因?yàn)橘|(zhì)子和電子在探測器中產(chǎn)生的信號特征與繆子不同，通過分析這些信號特征，可以更準(zhǔn)確地識別宇宙線電子。水切倫科夫探測器（WCDA）利用切倫科夫效應(yīng)來探測宇宙線粒子。當(dāng)帶電粒子以超過介質(zhì)中光速的速度在水中傳播時，會產(chǎn)生切倫科夫輻射，這是一種藍(lán)色的光錐。水切倫科夫探測器由裝有超純水的探測單元組成，當(dāng)宇宙線粒子進(jìn)入水中產(chǎn)生切倫科夫輻射時，探測器中的光電倍增管會探測到這些光信號。通過測量光信號的強(qiáng)度和時間分布，可以推斷出宇宙線粒子的能量、方向和種類等信息。水切倫科夫探測器對于探測低能宇宙線電子具有較高的靈敏度，能夠提供宇宙線電子在低能段的精確測量數(shù)據(jù)，與其他探測器相互補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)對宇宙線電子全能量范圍的有效探測。廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列（WFCTA）則是通過探測高能宇宙線或高能伽馬射線通過簇射在大氣中產(chǎn)生的切倫科夫光或熒光來工作。當(dāng)高能宇宙線或伽馬射線進(jìn)入大氣層后，會與大氣分子發(fā)生相互作用，產(chǎn)生廣延大氣簇射，簇射中的粒子會在大氣中產(chǎn)生切倫科夫光和熒光。廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡通過收集和分析這些光信號，來確定宇宙線或伽馬射線的方向、能量和到達(dá)時間等參數(shù)。WFCTA具有大視場和高靈敏度的特點(diǎn)，能夠?qū)Υ竺娣e的天空進(jìn)行掃描觀測，快速發(fā)現(xiàn)宇宙線電子的異常事件，為深入研究宇宙線電子提供重要線索。這些探測器陣列在LHAASO中相互配合，實(shí)現(xiàn)了對宇宙線電子的全方位、多變量測量。電磁粒子探測器和繆子探測器主要探測宇宙線在地面產(chǎn)生的簇射粒子，提供宇宙線電子的能量和粒子鑒別信息；水切倫科夫探測器對低能宇宙線電子敏感，補(bǔ)充了低能段的測量數(shù)據(jù)；廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡則從高空對宇宙線簇射產(chǎn)生的光信號進(jìn)行探測，提供宇宙線電子的方向和高能段信息。通過綜合分析各個探測器的數(shù)據(jù)，可以更全面、準(zhǔn)確地了解宇宙線電子的性質(zhì)和特征，為研究宇宙線電子的起源、加速和傳播機(jī)制提供有力的數(shù)據(jù)支持。2.3LHAASO在宇宙線研究中的優(yōu)勢與其他宇宙線觀測站相比，LHAASO在多個方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，使其在宇宙線研究中占據(jù)獨(dú)特地位。在靈敏度方面，LHAASO具有極高的探測靈敏度。其占地面積約1.36平方公里，擁有5216個電磁粒子探測器和1188個繆子探測器構(gòu)成的1平方公里地面簇射粒子探測器陣列（KM2A）、7.8萬平方米的水切倫科夫探測器陣列（WCDA）以及18臺廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡（WFCTA）。這種大規(guī)模的探測器陣列布局，使得LHAASO能夠捕捉到更多的宇宙線事件。例如，與美國的高海拔水切倫科夫探測器（HAWC）相比，HAWC雖然也有較大的探測面積，但LHAASO在探測器的布局和技術(shù)運(yùn)用上更為先進(jìn)，能夠更精確地探測到宇宙線粒子的細(xì)微信號，從而對宇宙線電子的探測靈敏度更高。這使得LHAASO能夠發(fā)現(xiàn)一些其他觀測站難以探測到的微弱宇宙線電子信號，為研究宇宙線電子的起源和傳播提供更多線索。從能量覆蓋范圍來看，LHAASO具有寬能段探測能力。它可以探測從GeV到PeV量級的宇宙線電子，涵蓋了低能、中能和高能等多個能量范圍。相比之下，一些空間探測器如“悟空”號雖然在高能電子探測方面有出色表現(xiàn)，但在低能段的探測能力相對較弱；而部分地面探測器則在高能段的探測存在局限。LHAASO的寬能段探測優(yōu)勢，使其能夠全面研究宇宙線電子在不同能量下的特性。例如，通過對低能宇宙線電子的探測，可以了解星際介質(zhì)對宇宙線電子的散射和能量損失等過程；對高能宇宙線電子的探測，則有助于研究宇宙線電子的加速機(jī)制和起源。這種全能量范圍的探測能力，為深入理解宇宙線電子的物理過程提供了更完整的數(shù)據(jù)支持。LHAASO還具備全天候觀測的優(yōu)勢。由于其位于地面，不受大氣層外環(huán)境的限制，如空間探測器會受到太陽活動、輻射帶等因素的影響，導(dǎo)致觀測時間受限。LHAASO可以持續(xù)不斷地對宇宙線進(jìn)行觀測，無論白天還是夜晚，晴天還是陰天，都能穩(wěn)定地收集數(shù)據(jù)。這種全天候觀測能力，使得LHAASO能夠積累大量的宇宙線電子數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)量和可靠性。例如，在研究宇宙線電子的長期變化趨勢時，LHAASO的全天候觀測數(shù)據(jù)可以提供更連續(xù)的時間序列，有助于發(fā)現(xiàn)宇宙線電子在不同時間尺度上的變化規(guī)律，為研究宇宙線電子與太陽活動、星際環(huán)境等因素的關(guān)系提供更有力的依據(jù)。此外，LHAASO的多技術(shù)探測體系也是其重要優(yōu)勢之一。它采用電磁粒子、繆子、水切倫科夫、廣角切倫科夫4種探測技術(shù)，可以全方位、多變量地測量來自于高能天體的伽馬射線和宇宙線。這種多技術(shù)融合的探測方式，使得LHAASO能夠同時獲取宇宙線電子的多種信息，如能量、方向、電荷等。相比單一探測技術(shù)的觀測站，LHAASO可以通過綜合分析不同探測器的數(shù)據(jù)，更準(zhǔn)確地鑒別宇宙線電子，排除其他粒子的干擾，提高宇宙線電子測量的準(zhǔn)確性和可靠性。例如，通過電磁粒子探測器和繆子探測器的聯(lián)合測量，可以有效區(qū)分宇宙線電子和質(zhì)子，因?yàn)橘|(zhì)子和電子在這兩種探測器中產(chǎn)生的信號特征不同；水切倫科夫探測器和廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡則可以從不同角度提供宇宙線電子的信息，相互印證和補(bǔ)充，從而實(shí)現(xiàn)對宇宙線電子的精確測量和深入研究。三、LHAASO對宇宙線電子測量預(yù)期3.1測量方法與技術(shù)手段LHAASO在宇宙線電子測量中，主要通過地面簇射粒子探測器陣列（KM2A）、水切倫科夫探測器陣列（WCDA）和廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡（WFCTA）來獲取宇宙線電子數(shù)據(jù)。KM2A由電磁粒子探測器（ED）和繆子探測器（MD）組成。當(dāng)宇宙線電子進(jìn)入大氣層后，與大氣分子相互作用產(chǎn)生廣延大氣簇射，簇射中的次級粒子到達(dá)地面時被KM2A探測到。ED主要測量電磁簇射中的電子和光子，通過閃爍體與光電倍增管的組合，將粒子的能量轉(zhuǎn)化為電信號進(jìn)行測量。例如，當(dāng)電子或光子撞擊閃爍體時，會使其發(fā)出閃爍光，光電倍增管將閃爍光轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過放大和數(shù)字化處理后，記錄下粒子的能量和到達(dá)時間等信息。MD則專注于探測簇射中產(chǎn)生的繆子，利用繆子與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的電離效應(yīng)，通過多層閃爍體或氣體探測器來測量繆子的能量、方向和到達(dá)時間。通過對ED和MD數(shù)據(jù)的聯(lián)合分析，可以確定宇宙線電子的能量、方向以及與其他粒子的鑒別信息。WCDA利用水切倫科夫效應(yīng)來探測宇宙線電子。當(dāng)宇宙線電子以超過水中光速的速度在水中傳播時，會產(chǎn)生切倫科夫輻射，形成藍(lán)色的光錐。WCDA中的光電倍增管探測這些光信號，通過測量光信號的強(qiáng)度和時間分布，推斷宇宙線電子的能量、方向和種類等信息。由于水切倫科夫探測器對低能宇宙線電子具有較高的靈敏度，能夠有效補(bǔ)充KM2A在低能段的探測不足，為宇宙線電子在低能段的精確測量提供數(shù)據(jù)支持。WFCTA通過探測高能宇宙線電子或高能伽馬射線在大氣中產(chǎn)生的切倫科夫光或熒光來工作。當(dāng)高能宇宙線電子進(jìn)入大氣層產(chǎn)生廣延大氣簇射時，簇射中的粒子會在大氣中產(chǎn)生切倫科夫光和熒光。WFCTA的望遠(yuǎn)鏡收集這些光信號，并通過分析光信號的強(qiáng)度、時間和空間分布，確定宇宙線電子的方向、能量和到達(dá)時間等參數(shù)。WFCTA具有大視場和高靈敏度的特點(diǎn)，能夠快速掃描大面積天空，發(fā)現(xiàn)宇宙線電子的異常事件，為深入研究宇宙線電子提供重要線索。在數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)方面，LHAASO采用了一系列先進(jìn)的方法。首先，對于探測器獲取的原始數(shù)據(jù)，進(jìn)行預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)清洗、去噪和校準(zhǔn)等操作，以提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可靠性。然后，利用基于機(jī)器學(xué)習(xí)的粒子鑒別算法，從大量的宇宙線事件中準(zhǔn)確識別出宇宙線電子，排除其他粒子的干擾。例如，通過訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，學(xué)習(xí)宇宙線電子在不同探測器中的信號特征，從而實(shí)現(xiàn)對宇宙線電子的精確鑒別。在能量重建方面，采用基于蒙特卡羅模擬的方法，結(jié)合探測器的響應(yīng)函數(shù)和宇宙線相互作用模型，對宇宙線電子的能量進(jìn)行精確重建。通過模擬大量的宇宙線電子事件，建立能量與探測器信號之間的關(guān)系模型，從而根據(jù)實(shí)際探測到的信號準(zhǔn)確計(jì)算出宇宙線電子的能量。此外，還運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，對海量的宇宙線電子數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，尋找其中的規(guī)律和異常現(xiàn)象，為研究宇宙線電子的起源、加速和傳播機(jī)制提供有力的數(shù)據(jù)支持。3.2預(yù)期測量結(jié)果與科學(xué)目標(biāo)基于LHAASO的探測能力和測量方法，預(yù)期在宇宙線電子測量方面將取得一系列重要成果，這些成果對于解決宇宙線起源等關(guān)鍵科學(xué)問題具有深遠(yuǎn)意義。在宇宙線電子能譜測量方面，預(yù)計(jì)LHAASO將在寬廣的能量范圍內(nèi)給出高精度的能譜結(jié)果。從GeV到PeV量級，LHAASO能夠精確測量宇宙線電子的能譜形狀和變化趨勢。例如，在低能段（GeV-TeV），通過水切倫科夫探測器陣列（WCDA）的高靈敏度探測，有望更精確地確定宇宙線電子能譜的底數(shù)和變化斜率，為研究星際介質(zhì)對宇宙線電子的散射和能量損失等過程提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。在高能段（TeV-PeV），地面簇射粒子探測器陣列（KM2A）和廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡（WFCTA）將發(fā)揮重要作用，能夠更準(zhǔn)確地測量能譜中的拐折和精細(xì)結(jié)構(gòu)。以往的實(shí)驗(yàn)雖然在能譜中發(fā)現(xiàn)了一些拐折現(xiàn)象，但由于探測精度的限制，對于拐折的具體位置和形狀仍存在較大的不確定性。LHAASO憑借其先進(jìn)的探測技術(shù)和大規(guī)模的探測器陣列，預(yù)期能夠精確測量這些拐折結(jié)構(gòu)，確定其能量位置和變化特征，為揭示宇宙線電子的加速和傳播機(jī)制提供重要線索。宇宙線電子通量的精確測量也是LHAASO的重要預(yù)期成果之一。通過長期穩(wěn)定的觀測，LHAASO能夠獲取宇宙線電子通量隨時間和空間的變化信息。在時間變化方面，能夠監(jiān)測到宇宙線電子通量與太陽活動周期的相關(guān)性。太陽活動會對宇宙線的傳播產(chǎn)生影響，當(dāng)太陽活動劇烈時，太陽風(fēng)增強(qiáng)，會阻擋部分宇宙線進(jìn)入太陽系，導(dǎo)致宇宙線電子通量下降；而在太陽活動低谷期，宇宙線電子通量則可能相對增加。LHAASO通過長時間的連續(xù)觀測，可以精確測量這種通量變化，為研究太陽活動對宇宙線的調(diào)制作用提供數(shù)據(jù)支持。在空間變化方面，LHAASO可以測量不同天區(qū)的宇宙線電子通量差異。不同天區(qū)的宇宙線電子源分布和星際介質(zhì)環(huán)境不同，導(dǎo)致宇宙線電子通量存在空間上的變化。通過對不同天區(qū)宇宙線電子通量的測量，能夠了解宇宙線電子源的分布情況，以及星際介質(zhì)對宇宙線電子傳播的影響，為尋找宇宙線電子的起源天體提供重要依據(jù)。這些預(yù)期測量結(jié)果對于解決宇宙線起源等科學(xué)問題具有重要意義。宇宙線起源是當(dāng)代天體物理學(xué)的重大前沿問題之一，而宇宙線電子作為宇宙線的重要組成部分，其能譜和通量的精確測量為研究宇宙線起源提供了關(guān)鍵線索。例如，能譜中的拐折和精細(xì)結(jié)構(gòu)可能與宇宙線電子的加速機(jī)制密切相關(guān)。如果能確定這些結(jié)構(gòu)的具體成因，就能更好地理解宇宙線電子是如何在天體物理環(huán)境中被加速到高能的。一些理論模型認(rèn)為，宇宙線電子可能在超新星遺跡、脈沖星風(fēng)云等天體中通過激波加速等機(jī)制獲得高能。LHAASO對能譜的精確測量可以驗(yàn)證這些理論模型，通過比較測量結(jié)果與模型預(yù)測，判斷哪種加速機(jī)制更符合實(shí)際情況。宇宙線電子通量的時空變化也能為宇宙線起源研究提供重要信息。通過分析不同天區(qū)的通量差異，可以確定宇宙線電子源的大致位置和分布范圍；而通量隨時間的變化則可以反映宇宙線源的活動狀態(tài)和演化過程。例如，如果在某個天區(qū)發(fā)現(xiàn)宇宙線電子通量突然增加，可能意味著該天區(qū)存在一個活躍的宇宙線源，正在加速并釋放大量的宇宙線電子。通過對這些現(xiàn)象的深入研究，有望逐步揭開宇宙線起源的神秘面紗，推動天體物理學(xué)的發(fā)展。3.3潛在科學(xué)發(fā)現(xiàn)與研究價值LHAASO對宇宙線電子的測量預(yù)期蘊(yùn)含著豐富的潛在科學(xué)發(fā)現(xiàn)，這些發(fā)現(xiàn)將為高能物理和天體物理研究帶來重大變革，具有極高的研究價值。在高能物理領(lǐng)域，LHAASO有望探測到新的物理現(xiàn)象，為粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的檢驗(yàn)與拓展提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。一些理論模型預(yù)測了超對稱粒子、暗物質(zhì)粒子等新粒子的存在。宇宙線電子與這些新粒子可能存在相互作用，產(chǎn)生獨(dú)特的信號。例如，若宇宙線電子與暗物質(zhì)粒子發(fā)生散射，可能會導(dǎo)致宇宙線電子能譜出現(xiàn)異常的結(jié)構(gòu)或特征。LHAASO憑借其高靈敏度和寬能段探測能力，有可能捕捉到這些異常信號，從而為暗物質(zhì)的研究提供重要線索，推動粒子物理理論的發(fā)展，填補(bǔ)當(dāng)前對微觀世界認(rèn)知的空白。尋找新的宇宙線電子源是LHAASO的重要科學(xué)目標(biāo)之一，這對天體物理學(xué)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)影響。宇宙線電子的起源一直是天體物理學(xué)的未解之謎，確定宇宙線電子源對于理解宇宙中高能物理過程的發(fā)生機(jī)制至關(guān)重要。通過精確測量宇宙線電子的能譜、通量和方向等信息，LHAASO可以對宇宙線電子的傳播軌跡進(jìn)行反向追蹤，結(jié)合對天體物理環(huán)境的研究，有望發(fā)現(xiàn)新的宇宙線電子源。年輕的大質(zhì)量星團(tuán)、超新星遺跡、脈沖星風(fēng)云等天體被認(rèn)為是宇宙線電子源的候選天體。LHAASO可以對這些候選天體進(jìn)行深入觀測，分析其與宇宙線電子的關(guān)聯(lián)，確定它們是否為真正的宇宙線電子源。這將有助于揭示宇宙線電子在天體中的加速和產(chǎn)生機(jī)制，加深我們對宇宙中高能物理過程的理解，推動天體物理學(xué)在高能天體研究領(lǐng)域的發(fā)展。LHAASO的宇宙線電子測量結(jié)果還能為星際介質(zhì)的研究提供關(guān)鍵信息。宇宙線電子在星際空間傳播時，會與星際介質(zhì)中的原子、分子發(fā)生相互作用，通過測量宇宙線電子的能譜和通量變化，可以推斷星際介質(zhì)的密度、溫度、化學(xué)成分等物理性質(zhì)。例如，宇宙線電子與星際介質(zhì)中的氫原子碰撞會產(chǎn)生特定能量的伽馬射線，通過LHAASO對伽馬射線的探測，可以反推星際介質(zhì)中氫原子的分布情況。這對于研究星系的演化、恒星的形成等天體物理過程具有重要意義，因?yàn)樾请H介質(zhì)是星系演化和恒星形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，了解其性質(zhì)可以幫助我們更好地理解宇宙的演化歷史和結(jié)構(gòu)形成。四、LHAASO多陣列聯(lián)合研究4.1多陣列聯(lián)合探測機(jī)制LHAASO與其他探測器陣列的聯(lián)合探測機(jī)制涉及時間和空間兩個維度的協(xié)同工作，通過巧妙的配合，實(shí)現(xiàn)對宇宙線電子的全方位、高精度探測。在時間協(xié)同方面，不同探測器的響應(yīng)時間和數(shù)據(jù)采集頻率存在差異，需要精確的時間同步系統(tǒng)來確保數(shù)據(jù)的有效融合。以LHAASO與空間探測器“悟空”號的聯(lián)合觀測為例，“悟空”號在太空中直接測量原始宇宙線電子，其數(shù)據(jù)采集具有一定的周期性和特定的時間窗口。而LHAASO位于地面，通過探測宇宙線電子在大氣層中產(chǎn)生的次級粒子來獲取信息，其數(shù)據(jù)采集是持續(xù)進(jìn)行的。為了實(shí)現(xiàn)兩者在時間上的協(xié)同，需要建立高精度的時間同步機(jī)制，例如利用全球定位系統(tǒng)（GPS）等技術(shù)，將“悟空”號和LHAASO的時間精確校準(zhǔn)到納秒級。這樣，當(dāng)宇宙線電子事件發(fā)生時，能夠準(zhǔn)確記錄兩個探測器在同一時刻的數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行對比分析。比如，當(dāng)“悟空”號探測到一個高能宇宙線電子事件時，通過時間同步系統(tǒng)，可以迅速在LHAASO的數(shù)據(jù)中找到同一時刻的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括該電子在大氣層中產(chǎn)生的簇射粒子信息，進(jìn)而全面了解該宇宙線電子從太空到大氣層的整個過程。對于地面上的多個探測器，如LHAASO與美國的高海拔水切倫科夫探測器（HAWC）聯(lián)合觀測時，也需要精確的時間同步。由于兩者地理位置不同，存在一定的時間差，通過時間同步技術(shù)，可以消除這種差異，使得兩個探測器在同一時間尺度下記錄宇宙線電子事件。在實(shí)際觀測中，當(dāng)一個宇宙線電子引發(fā)廣延大氣簇射時，LHAASO和HAWC能夠在幾乎相同的時間點(diǎn)探測到簇射粒子，通過對比分析兩者的數(shù)據(jù)，可以增加宇宙線電子事件的統(tǒng)計(jì)量，提高測量精度。例如，在研究宇宙線電子能譜時，更多的事件統(tǒng)計(jì)量可以使能譜的測量更加精確，減少統(tǒng)計(jì)誤差，更準(zhǔn)確地確定能譜中的特征結(jié)構(gòu)。在空間協(xié)同方面，不同探測器的視場和探測范圍各異，需要合理規(guī)劃觀測區(qū)域，實(shí)現(xiàn)對宇宙空間的全面覆蓋。LHAASO的視場相對較大，能夠?qū)Υ竺娣e的天空進(jìn)行掃描觀測，但對于某些特定方向或區(qū)域的觀測可能不夠精細(xì)。而一些小型探測器，如部分地面切倫科夫望遠(yuǎn)鏡，雖然視場較小，但對特定方向的觀測具有較高的分辨率。當(dāng)LHAASO與這些小型探測器聯(lián)合觀測時，可以根據(jù)觀測目標(biāo)的位置和特性，合理分配觀測任務(wù)。對于一個位于銀河系中心附近的宇宙線電子源，LHAASO可以利用其大視場的優(yōu)勢，對該區(qū)域進(jìn)行初步的掃描，確定宇宙線電子的大致分布和能量范圍。然后，小型切倫科夫望遠(yuǎn)鏡可以針對該源進(jìn)行更精確的指向觀測，利用其高分辨率的特點(diǎn)，詳細(xì)研究該源的精細(xì)結(jié)構(gòu)和輻射特性。通過這種空間上的協(xié)同觀測，可以更全面、深入地了解宇宙線電子源的性質(zhì)和特征。不同探測器在空間上的協(xié)同還體現(xiàn)在對宇宙線電子傳播路徑的追蹤上。由于宇宙線電子在星際空間傳播時會受到星際磁場的影響，其運(yùn)動軌跡發(fā)生彎曲。通過多個探測器在不同空間位置的觀測，可以對宇宙線電子的傳播路徑進(jìn)行反演和重建。例如，LHAASO與分布在不同地理位置的其他地面探測器聯(lián)合，每個探測器記錄下宇宙線電子到達(dá)時的方向和能量等信息。通過綜合分析這些信息，利用復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法，可以逐步還原宇宙線電子在星際空間中的傳播路徑，推斷其可能的起源地和加速過程。這種空間協(xié)同觀測為尋找宇宙線電子的起源提供了重要的手段，有助于解決宇宙線起源這一重大科學(xué)問題。4.2聯(lián)合研究案例分析4.2.1天鵝座區(qū)域研究天鵝座區(qū)域一直是宇宙線研究的重點(diǎn)區(qū)域，這里存在著眾多的高能天體，如超新星遺跡、脈沖星風(fēng)云和大質(zhì)量星團(tuán)等，被認(rèn)為是宇宙線的潛在加速源。LHAASO憑借其強(qiáng)大的探測能力，在天鵝座區(qū)域的宇宙線電子探測中取得了顯著成果，而與其他探測器陣列的聯(lián)合研究，更是為深入理解該區(qū)域的高能物理現(xiàn)象提供了有力支持。2020年，LHAASO在天鵝座區(qū)域發(fā)現(xiàn)了一個巨型超高能伽馬射線泡狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)有多個能量超過1千萬億電子伏的光子，最高達(dá)到2千萬億電子伏。這一發(fā)現(xiàn)暗示該區(qū)域存在超級宇宙線加速器，能夠?qū)⒂钪婢€粒子加速到極高能量。為了進(jìn)一步探究該區(qū)域宇宙線電子的特性，LHAASO與位于美國的VERITAS甚高能伽馬射線望遠(yuǎn)鏡陣列展開聯(lián)合觀測。VERITAS具有高角分辨率和高靈敏度的特點(diǎn)，能夠?qū)μ禊Z座區(qū)域的特定天體進(jìn)行精確觀測。通過兩者的聯(lián)合觀測，對該區(qū)域宇宙線電子的能譜進(jìn)行了更精確的測量。例如，在對天鵝座內(nèi)某一脈沖星風(fēng)云的觀測中，LHAASO測量了宇宙線電子在大氣層中產(chǎn)生的廣延大氣簇射粒子，提供了宇宙線電子的整體能譜信息；VERITAS則通過觀測脈沖星風(fēng)云發(fā)射的伽馬射線，間接獲取了宇宙線電子在源區(qū)的能譜特征。通過對比分析兩者的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)宇宙線電子在從源區(qū)傳播到地球的過程中，能譜發(fā)生了一定的變化，這可能是由于星際介質(zhì)的散射和能量損失導(dǎo)致的。這一結(jié)果為研究宇宙線電子在星際空間的傳播機(jī)制提供了重要線索。在對天鵝座區(qū)域的大質(zhì)量星團(tuán)觀測中，LHAASO與位于智利的HESS伽馬射線天文臺聯(lián)合研究。HESS對高能伽馬射線具有較高的探測靈敏度，能夠探測到大質(zhì)量星團(tuán)周圍的高能輻射。通過聯(lián)合觀測，發(fā)現(xiàn)大質(zhì)量星團(tuán)周圍的宇宙線電子通量明顯高于其他區(qū)域，且能譜呈現(xiàn)出獨(dú)特的特征。研究人員分析認(rèn)為，大質(zhì)量星團(tuán)中恒星的強(qiáng)烈星風(fēng)與周圍星際介質(zhì)的相互作用，形成了強(qiáng)激波和強(qiáng)湍流的極端環(huán)境，這種環(huán)境有利于宇宙線電子的加速。這一發(fā)現(xiàn)為解釋宇宙線電子的加速機(jī)制提供了新的證據(jù)，也進(jìn)一步證實(shí)了天鵝座區(qū)域作為宇宙線源的重要地位。4.2.2伽馬射線暴觀測伽馬射線暴（GRB）是宇宙中最劇烈的天體爆發(fā)現(xiàn)象之一，其短時間內(nèi)釋放出的巨大能量蘊(yùn)含著豐富的高能物理信息。對伽馬射線暴中宇宙線電子的研究，有助于揭示宇宙線的起源和加速機(jī)制。LHAASO與其他探測器在伽馬射線暴觀測中的聯(lián)合研究，取得了一系列重要成果，其中以GRB221009A的觀測最為典型。2022年10月9日，LHAASO、高能爆發(fā)探索者（HEBS）和慧眼衛(wèi)星（Insight-HXMT）同時探測到了伽馬射線暴GRB221009A，這是有記錄以來人類探測到的最亮的伽馬射線暴。LHAASO憑借其大視場、全天候和寬能段的探測優(yōu)勢，在此次觀測中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。其水切倫科夫探測器陣列對伽馬射線的觀測能量范圍跨越兩個量級，在千億電子伏特到十萬億電子伏特之間，收集到了數(shù)萬個伽馬光子。HEBS則成功對該伽馬射線暴的軟伽馬射線光變特征進(jìn)行了高精度觀測，完美展現(xiàn)了初期爆發(fā)和后隨閃耀的演化過程；慧眼衛(wèi)星的高能、中能和低能X射線望遠(yuǎn)鏡首次在伽馬射線暴觀測中同時探測到信號，并對余輝進(jìn)行了及時監(jiān)測。在對GRB221009A的觀測中，LHAASO與這些探測器的聯(lián)合觀測實(shí)現(xiàn)了跨越11個量級的寬能量范圍天地協(xié)同觀測，打破了多項(xiàng)伽馬射線暴觀測記錄。LHAASO將伽馬射線暴光子最高能量記錄提升了近20倍，在國際上首次打開了10TeV波段的伽馬射線暴觀測窗口。通過對不同探測器數(shù)據(jù)的綜合分析，研究人員發(fā)現(xiàn)伽馬射線暴的高能輻射在起爆之后不到10分鐘的某個時刻，亮度突然快速減弱。這一現(xiàn)象可解釋為爆炸后的拋射物是噴流狀的結(jié)構(gòu)，當(dāng)輻射張角擴(kuò)展到了噴流的邊緣時造成亮度快速下降。這一發(fā)現(xiàn)對于理解伽馬射線暴的輻射機(jī)制和噴流結(jié)構(gòu)具有重要意義。在對GRB221009A宇宙線電子的研究中，LHAASO的數(shù)據(jù)顯示，在伽馬射線暴的“后隨爆炸”過程中，高能光子流量在早期不到兩秒的時間里增強(qiáng)了100多倍，這一現(xiàn)象超出了以往理論模型的預(yù)期。通過與其他探測器的數(shù)據(jù)對比分析，研究人員推測這可能與宇宙線電子在伽馬射線暴中的加速機(jī)制有關(guān)。一些理論認(rèn)為，在伽馬射線暴的激波加速過程中，宇宙線電子可能獲得了額外的能量注入，導(dǎo)致其產(chǎn)生的高能光子流量迅速增強(qiáng)。LHAASO與其他探測器對GRB221009A的聯(lián)合觀測，為研究伽馬射線暴中宇宙線電子的加速、傳播和輻射機(jī)制提供了豐富的數(shù)據(jù)，有助于推動相關(guān)理論的發(fā)展，加深我們對宇宙中極端高能物理過程的理解。4.3聯(lián)合研究面臨的挑戰(zhàn)與解決方案在多陣列聯(lián)合研究過程中，數(shù)據(jù)融合是首要面臨的挑戰(zhàn)。不同探測器陣列由于其探測原理、技術(shù)手段以及數(shù)據(jù)采集方式的差異，所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)格式和特征千差萬別。例如，LHAASO的水切倫科夫探測器陣列（WCDA）通過探測切倫科夫光來獲取宇宙線信息，其數(shù)據(jù)主要以光信號的強(qiáng)度和時間分布等形式呈現(xiàn)；而空間探測器“悟空”號則通過直接探測宇宙線粒子的能量、電荷等參數(shù)來記錄數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式與WCDA截然不同。這種數(shù)據(jù)的不一致性使得在進(jìn)行聯(lián)合分析時，難以直接將不同探測器的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的整合和關(guān)聯(lián)，從而影響對宇宙線電子的全面理解和深入研究。為解決這一問題，科研人員致力于研發(fā)先進(jìn)的數(shù)據(jù)融合算法。首先，對不同探測器的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，將其轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，以便后續(xù)分析。通過建立數(shù)據(jù)映射關(guān)系，將不同探測器測量的物理量統(tǒng)一到相同的物理模型下，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效關(guān)聯(lián)。針對宇宙線電子能量的測量，不同探測器可能采用不同的能量校準(zhǔn)方法和單位，通過建立統(tǒng)一的能量校準(zhǔn)模型，將各個探測器測量的能量值轉(zhuǎn)換為相同的標(biāo)準(zhǔn)能量單位，從而使不同探測器的數(shù)據(jù)能夠在能量維度上進(jìn)行比較和分析。利用機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)，對多源數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取和融合。通過訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，學(xué)習(xí)不同探測器數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律，自動提取出對宇宙線電子研究有價值的特征信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的深度融合，提高對宇宙線電子的探測精度和分析能力。探測器校準(zhǔn)也是聯(lián)合研究中不可忽視的挑戰(zhàn)。由于不同探測器的工作環(huán)境、制造工藝以及長期運(yùn)行過程中的性能變化等因素，導(dǎo)致探測器的響應(yīng)存在差異，需要進(jìn)行精確校準(zhǔn)，以確保不同探測器測量結(jié)果的一致性和準(zhǔn)確性。地面探測器會受到大氣環(huán)境變化的影響，如溫度、氣壓等因素會改變探測器的探測效率和能量分辨率；而空間探測器則會受到宇宙射線、輻射等空間環(huán)境因素的影響，導(dǎo)致探測器性能發(fā)生漂移。這些因素使得不同探測器在測量同一宇宙線電子事件時，可能得到不同的結(jié)果，從而影響聯(lián)合研究的可靠性。為應(yīng)對探測器校準(zhǔn)問題，采用了多種校準(zhǔn)技術(shù)相結(jié)合的方法。在硬件層面，對探測器進(jìn)行定期的維護(hù)和檢測，確保探測器的性能穩(wěn)定。通過使用標(biāo)準(zhǔn)源對探測器進(jìn)行校準(zhǔn)，建立探測器的響應(yīng)函數(shù)，修正探測器的測量偏差。對于WCDA，定期使用已知能量的放射源進(jìn)行校準(zhǔn)，測量探測器對不同能量粒子的響應(yīng)，從而確定探測器的能量分辨率和探測效率等參數(shù)。在軟件層面，利用蒙特卡羅模擬技術(shù)，對探測器的響應(yīng)進(jìn)行模擬和優(yōu)化。通過模擬不同能量和類型的宇宙線粒子在探測器中的相互作用過程，得到探測器的理論響應(yīng)，與實(shí)際測量結(jié)果進(jìn)行對比，進(jìn)一步修正探測器的校準(zhǔn)參數(shù)。利用多個探測器之間的交叉校準(zhǔn)技術(shù)，通過比較不同探測器對同一宇宙線電子事件的測量結(jié)果，相互驗(yàn)證和校準(zhǔn)探測器的性能，提高校準(zhǔn)的精度和可靠性。數(shù)據(jù)傳輸與存儲也是多陣列聯(lián)合研究中面臨的重要挑戰(zhàn)之一。隨著探測器技術(shù)的不斷發(fā)展，各個探測器陣列產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量呈爆炸式增長。LHAASO作為一個大規(guī)模的宇宙線觀測站，每天產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量可達(dá)數(shù)TB甚至更多，加上與其他探測器陣列聯(lián)合觀測時的數(shù)據(jù)量，數(shù)據(jù)的傳輸和存儲壓力巨大。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，由于網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制，可能會出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸延遲、丟包等問題，影響數(shù)據(jù)的實(shí)時共享和聯(lián)合分析。而大量數(shù)據(jù)的存儲也需要龐大的存儲設(shè)備和高效的存儲管理系統(tǒng)，以確保數(shù)據(jù)的安全和可訪問性。為解決數(shù)據(jù)傳輸與存儲問題，一方面，采用高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，如光纖通信和5G通信等，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾屎头€(wěn)定性。通過優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，減少數(shù)據(jù)傳輸過程中的延遲和丟包現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速、可靠傳輸。建立分布式數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)分散存儲在多個存儲節(jié)點(diǎn)上，提高數(shù)據(jù)的存儲容量和可靠性。利用云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式處理和管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效存儲和快速檢索。通過數(shù)據(jù)壓縮和加密技術(shù)，減少數(shù)據(jù)的存儲空間，同時保障數(shù)據(jù)的安全性和隱私性。五、LHAASO與其他觀測站的聯(lián)合研究5.1合作模式與項(xiàng)目LHAASO與多個觀測站開展了廣泛且深入的合作，其中與“中國天眼”（FAST）的合作備受矚目。FAST作為世界最大單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，在射電波段的觀測能力卓越，而LHAASO則專注于宇宙線和伽馬射線探測。雙方在高能輻射脈沖星和暫現(xiàn)源觀測等領(lǐng)域展開聯(lián)合觀測，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)勢互補(bǔ)。在高能輻射脈沖星觀測方面，F(xiàn)AST憑借其高靈敏度和大視場的特點(diǎn)，能夠高效地搜索脈沖星信號。通過對脈沖星射電信號的精確測量，獲取脈沖星的周期、頻率等信息，為研究脈沖星的物理性質(zhì)和演化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。LHAASO則利用其對宇宙線和伽馬射線的探測能力，研究脈沖星周圍的高能粒子環(huán)境。脈沖星是高速旋轉(zhuǎn)的中子星，會產(chǎn)生強(qiáng)磁場和高能粒子流，這些高能粒子與周圍物質(zhì)相互作用，會產(chǎn)生伽馬射線和宇宙線。LHAASO通過探測這些伽馬射線和宇宙線，能夠了解脈沖星周圍高能粒子的加速和傳播機(jī)制，以及脈沖星與星際介質(zhì)的相互作用。雙方的數(shù)據(jù)結(jié)合，可以全面深入地研究脈沖星的高能輻射機(jī)制，為揭示脈沖星的奧秘提供更有力的支持。在暫現(xiàn)源觀測方面，F(xiàn)AST和LHAASO共同追蹤快速射電暴（FRB）等暫現(xiàn)源?？焖偕潆姳┦且环N在射電波段短暫而強(qiáng)烈的爆發(fā)，持續(xù)時間極短，通常只有幾毫秒，但釋放出的能量卻非常巨大。FAST能夠快速捕捉到FRB的射電信號，確定其爆發(fā)的時間、位置和頻率等信息。LHAASO則從宇宙線和伽馬射線的角度對FRB進(jìn)行觀測。FRB的爆發(fā)可能伴隨著高能粒子的產(chǎn)生和加速，這些高能粒子在傳播過程中會與星際介質(zhì)相互作用，產(chǎn)生伽馬射線和宇宙線。LHAASO通過探測這些伽馬射線和宇宙線，研究FRB爆發(fā)時的高能物理過程，以及FRB與宇宙線起源的關(guān)系。雙方的聯(lián)合觀測，能夠從多個角度研究暫現(xiàn)源，提高對暫現(xiàn)源的探測和研究能力，為解開暫現(xiàn)源的謎團(tuán)提供更多線索。LHAASO與高能爆發(fā)探索者（HEBS）、慧眼衛(wèi)星（Insight-HXMT）在伽馬射線暴觀測中也有著緊密的合作。伽馬射線暴是宇宙中最劇烈的天體爆發(fā)現(xiàn)象之一，其短時間內(nèi)釋放出的巨大能量蘊(yùn)含著豐富的高能物理信息。在2022年10月9日探測到的伽馬射線暴GRB221009A中，LHAASO、HEBS和慧眼衛(wèi)星同時進(jìn)行了觀測。HEBS采用新型探測技術(shù)以及基于北斗短報(bào)文的準(zhǔn)實(shí)時星地通訊方案，能夠迅速下傳觀測數(shù)據(jù)，成功對該伽馬射線暴的軟伽馬射線光變特征進(jìn)行了高精度觀測，完美展現(xiàn)了初期爆發(fā)和后隨閃耀的演化過程?；垩坌l(wèi)星作為我國第一顆空間X射線天文衛(wèi)星，其高能、中能和低能X射線望遠(yuǎn)鏡首次在伽馬射線暴觀測中同時探測到信號，而且因?yàn)楫?dāng)時正在掃描觀測這個天區(qū)，從而對該伽馬射線暴的余輝進(jìn)行了及時監(jiān)測。LHAASO憑借其大視場、全天候和寬能段的探測優(yōu)勢，在此次觀測中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。其水切倫科夫探測器陣列對伽馬射線的觀測能量范圍跨越兩個量級，在千億電子伏特到十萬億電子伏特之間，收集到了數(shù)萬個伽馬光子，將伽馬射線暴光子最高能量記錄提升了近20倍，在國際上首次打開了10TeV波段的伽馬射線暴觀測窗口。在這次聯(lián)合觀測中，LHAASO、HEBS和慧眼衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了跨越11個量級的寬能量范圍天地協(xié)同觀測，打破了多項(xiàng)伽馬射線暴觀測記錄。通過對不同探測器數(shù)據(jù)的綜合分析，研究人員發(fā)現(xiàn)伽馬射線暴的高能輻射在起爆之后不到10分鐘的某個時刻，亮度突然快速減弱。這一現(xiàn)象可解釋為爆炸后的拋射物是噴流狀的結(jié)構(gòu)，當(dāng)輻射張角擴(kuò)展到了噴流的邊緣時造成亮度快速下降。這種多觀測站聯(lián)合觀測伽馬射線暴的模式，能夠從不同能量范圍和觀測角度獲取伽馬射線暴的信息，為研究伽馬射線暴的輻射機(jī)制、噴流結(jié)構(gòu)以及高能物理過程提供豐富的數(shù)據(jù)，有助于推動相關(guān)理論的發(fā)展，加深我們對宇宙中極端高能物理過程的理解。5.2聯(lián)合研究成果與展望LHAASO與其他觀測站的聯(lián)合研究已取得了一系列令人矚目的成果，這些成果不僅推動了宇宙線研究的發(fā)展，也為未來的合作奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在高能輻射脈沖星觀測方面，LHAASO與FAST的聯(lián)合觀測取得了顯著進(jìn)展。通過FAST對脈沖星射電信號的精確測量以及LHAASO對脈沖星周圍高能粒子環(huán)境的探測，研究人員對脈沖星的高能輻射機(jī)制有了更深入的理解。發(fā)現(xiàn)脈沖星的高能輻射與脈沖星的自轉(zhuǎn)周期、磁場強(qiáng)度等參數(shù)密切相關(guān)，這些關(guān)系的確定為進(jìn)一步研究脈沖星的演化提供了重要線索。對某顆脈沖星的觀測中，F(xiàn)AST測量到其射電脈沖周期的微小變化，而LHAASO探測到該脈沖星周圍高能粒子通量的相應(yīng)變化。通過綜合分析這些數(shù)據(jù)，研究人員推斷出脈沖星的自轉(zhuǎn)減速可能導(dǎo)致其磁場結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而影響高能粒子的加速和輻射過程。這一發(fā)現(xiàn)為脈沖星的演化模型提供了新的觀測證據(jù)，推動了脈沖星研究領(lǐng)域的發(fā)展。在暫現(xiàn)源觀測中，LHAASO與FAST對快速射電暴（FRB）的聯(lián)合追蹤也取得了重要成果。通過FAST捕捉FRB的射電信號以及LHAASO探測FRB爆發(fā)時的高能粒子和伽馬射線，研究人員對FRB的爆發(fā)機(jī)制有了新的認(rèn)識。發(fā)現(xiàn)部分FRB的爆發(fā)可能與致密天體的合并或磁星的活動有關(guān)，這些發(fā)現(xiàn)為解釋FRB的起源提供了重要依據(jù)。對某一FRB事件的觀測中，F(xiàn)AST在短時間內(nèi)探測到多次射電脈沖，而LHAASO則在相應(yīng)時間段內(nèi)探測到高能伽馬射線的爆發(fā)。通過對這些數(shù)據(jù)的分析，研究人員推測該FRB可能是由兩顆中子星合并產(chǎn)生的，合并過程中釋放出的巨大能量加速了高能粒子，產(chǎn)生了射電脈沖和伽馬射線。這一推斷為FRB的起源研究提供了新的方向，也展示了LHAASO與FAST聯(lián)合觀測在暫現(xiàn)源研究中的重要作用。展望未來，LHAASO與其他觀測站在多信使天文學(xué)領(lǐng)域有著廣闊的合作前景。多信使天文學(xué)通過結(jié)合不同類型的天文信號，如引力波、中微子、伽馬射線和宇宙線等，來研究天體物理現(xiàn)象，為我們提供了更全面了解宇宙的途徑。LHAASO在宇宙線和伽馬射線探測方面的優(yōu)勢，使其能夠與引力波探測器、中微子探測器等實(shí)現(xiàn)有效協(xié)同。當(dāng)引力波探測器探測到引力波事件時，LHAASO可以迅速對事件發(fā)生的天區(qū)進(jìn)行觀測，尋找可能伴隨的宇宙線和伽馬射線信號。這有助于研究引力波源的高能物理過程，如雙黑洞合并、雙中子星合并等過程中是否伴隨著高能粒子的加速和輻射。通過多信使天文學(xué)的研究，有望揭示宇宙中更多未知的物理現(xiàn)象和天體演化過程，為解決宇宙線起源、暗物質(zhì)本質(zhì)等重大科學(xué)問題提供新的思路和方法。隨著觀測技術(shù)的不斷進(jìn)步，LHAASO與其他觀測站的聯(lián)合觀測將更加緊密和高效。未來，新的探測器和觀測技術(shù)將不斷涌現(xiàn)，如更高靈敏度的射電望遠(yuǎn)鏡、更先進(jìn)的空間探測器等，這些技術(shù)的應(yīng)用將進(jìn)一步拓展聯(lián)合觀測的范圍和深度。通過建立更完善的數(shù)據(jù)共享和分析平臺，不同觀測站之間的數(shù)據(jù)融合和協(xié)同分析將更加便捷和高效，能夠更快地發(fā)現(xiàn)和研究宇宙中的新現(xiàn)象。