光，是我們無(wú)比熟悉的概念。物理學(xué)家告訴我們，光是由無(wú)數(shù)光子組成的。比如我們眼睛可以看到的的可見(jiàn)光就是可見(jiàn)光光子組成的。宇宙中還有各種不可見(jiàn)的“光”，它們也由能量各異的光子構(gòu)成。那么，能量最高的光子可以高能到什么程度呢？

　　最近，中日合作的羊八井ASgamma實(shí)驗(yàn)的探測(cè)器探測(cè)到來(lái)自蟹狀星云方向的24個(gè)能量超過(guò)100萬(wàn)億電子伏（100TeV）的超高能光子，其中能量最高的那個(gè)光子達(dá)到了450萬(wàn)億電子伏（450TeV），是此前最高能量記錄（75TeV）的6倍，是可見(jiàn)光光子能量的百萬(wàn)億倍。相關(guān)成果對(duì)應(yīng)的論文已經(jīng)被物理領(lǐng)域頂尖期刊《物理評(píng)論快報(bào)》所接受，即將于七月下旬作為亮點(diǎn)論文出版[1]。 

　　這些超高能光子從何而來(lái)？研究論文的作者們認(rèn)為它們可能源于古老而低能的宇宙微波背景輻射[2]。那么，什么是微波背景輻射？它們?nèi)绾巫優(yōu)槌�高能光子？它們又是如何被探測(cè)到的？這篇文章以這批光子為主角，講述它們奇幻漂流的一生。

　　宇宙大爆炸的余燼

　　大約138億年前，我們的宇宙比沙子還小得多，所有物質(zhì)擠壓在極端小、極端熱的狹小區(qū)域內(nèi)。接著，宇宙“爆炸”，我們以這個(gè)時(shí)刻的宇宙年齡為零。爆炸后的宇宙急劇膨脹。在宇宙年齡從零到38萬(wàn)年之間的階段，宇宙中大量光子與其他粒子強(qiáng)烈碰撞，阻止中性原子形成——這些高能光子會(huì)把電子與原子核拆散。

　　在宇宙年齡為38萬(wàn)年時(shí)，由于宇宙的膨脹，那些高能光子的能量已經(jīng)降到足夠低，不能繼續(xù)拆散原子，它們最后一次與電子發(fā)生碰撞后，就成為宇宙中散落的背景光子，電子也終于能夠安安穩(wěn)穩(wěn)地與原子核結(jié)合為中性原子，宇宙也終于從一團(tuán)迷霧一樣的狀態(tài)變?yōu)橥该鳡顟B(tài)。

　　這個(gè)時(shí)刻，那些剛成為宇宙背景的光子的溫度大約是絕對(duì)溫度3000多度，發(fā)出暗紅色的光。這是年輕時(shí)的宇宙的顏色。隨著宇宙繼續(xù)膨脹，這些光子的能量不斷降低，到138億年之后的今天，這些背景光子的溫度已經(jīng)只有絕對(duì)溫度2.7度，相當(dāng)于零下270攝氏度，比我們的南極還冷得多，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)在微波波段，因此被稱(chēng)為“微波背景輻射”。

　　它們中的一部分在1964年被貝爾實(shí)驗(yàn)室的工程師威爾遜和彭齊亞斯意外發(fā)現(xiàn)，證實(shí)了宇宙大爆炸理論的正確性，二人也因此獲得了1978年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。下面，我們將微波背景輻射光子簡(jiǎn)稱(chēng)為“背景光子”。

圖：WMAP 衛(wèi)星9年探測(cè)得到的微波背景輻射分布圖，微波背景輻射沒(méi)有顏色，圖中顏色為偽色 | NASA / WMAP Science Team

　　在這漫長(zhǎng)的138億年，這些背景光子在能量降低的同時(shí)，不斷漂流。但在我們講述這些背景光子進(jìn)一步漂流的故事前，我們還必須先講述一個(gè)看似與它無(wú)關(guān)，實(shí)際上卻密切相關(guān)的故事：超新星爆發(fā)。

　　恒星的壯烈死亡：超新星爆發(fā)

　　距離現(xiàn)在大約1千萬(wàn)年前，位于地球金牛座方向的一個(gè)區(qū)域中的一團(tuán)巨大的氫分子云終于點(diǎn)燃了自己的中心，成為了一顆質(zhì)量在8到10個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量那么大的恒星，這顆恒星與地球的距離大約為6500光年，1光年約等于10萬(wàn)億千米，因此這個(gè)距離約為6億億千米。

　　經(jīng)過(guò)大約1千萬(wàn)年的演化，這顆恒星內(nèi)部不再產(chǎn)生能量，巨大的引力占據(jù)上風(fēng)，星體向內(nèi)猛烈收縮，將核心壓縮為一個(gè)幾乎完全由中子構(gòu)成的致密星體——中子星，恒星的其他部分物質(zhì)砸在堅(jiān)硬的核心上，然后向外反彈，中心天體發(fā)出的中微子協(xié)助反彈物質(zhì)向外爆炸，形成了壯觀的超新星。

　　超新星爆發(fā)后發(fā)出的強(qiáng)烈光芒向外傳播，經(jīng)過(guò)大約6500年后，到達(dá)地球上空，此時(shí)是公元1054年，中國(guó)正處于宋仁宗至和元年。北宋的天文官員發(fā)現(xiàn)天空突然出現(xiàn)了一顆新的星星，這就是著名的“天關(guān)客星”，也被稱(chēng)為“超新星1054”（SN 1054）。這顆新的星星持續(xù)近兩年可以在夜空看到，以至于第二年，即宋仁宗至和二年，侍御史趙抃還上奏議：“臣伏見(jiàn)自去年五月已來(lái)，妖星遂見(jiàn)，僅及周稔，至今光耀未退。”不僅如此，這顆超新星有23天可以在白天看到。[3]

圖：《歷代名臣奏議》中趙抃對(duì)1054年被觀測(cè)到的超新星的描述。

　　著名的梅西耶星表中的第一個(gè)天體M1，因其形狀像一只螃蟹，因此也被稱(chēng)為“蟹狀星云”。1921年，有兩位天文學(xué)家先后指出蟹狀星云正在膨脹，年齡大約為900年，天文學(xué)家倫德馬克（Knut Lundmark，1889--1958）根據(jù)這些結(jié)論，結(jié)合中國(guó)古代典籍記載，猜測(cè)：蟹狀星云就是超新星1054的遺跡。此后，哈勃（Edwin Hubble，1889-1953）經(jīng)過(guò)觀測(cè)與計(jì)算，證實(shí)了這個(gè)結(jié)論。

　　1967年，貝爾（Jocelyn Bell Burnell，1943-）首次觀測(cè)到到脈沖星之后，人們很快在1968年發(fā)現(xiàn)了蟹狀星云中心的脈沖星，這就是超新星1054遺留下來(lái)的中子星，這顆中子星每秒自轉(zhuǎn)30次，并不斷將自身的轉(zhuǎn)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為輻射，產(chǎn)生的“脈沖星風(fēng)”照亮蟹狀星云，使后者成為一個(gè)“脈沖星風(fēng)云”。

圖：哈勃太空望遠(yuǎn)鏡（HST）拍攝的蟹狀星云的圖像 | NASA / ESA， HST

　　上圖為哈勃太空望遠(yuǎn)鏡（HST）于1999年到2000年拍攝的蟹狀星云的多色圖，它的半徑已經(jīng)擴(kuò)展到6光年，即大約60萬(wàn)億千米。由于其尺寸太大，HST分24次拍攝了不同部分，然后把24張圖拼接為一張圖。

　　超新星遺跡：巨大的加速器

　　所有的超新星在爆發(fā)幾年后，都將成為“超新星遺跡”。超新星遺跡里有大量彌散的超新星物質(zhì)。這些物質(zhì)內(nèi)部的強(qiáng)烈碰撞或者中心遺留的中子星的強(qiáng)烈輻射會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波，這些沖擊波將超新星遺跡里面的質(zhì)子和電子加速到極高的速度——極端接近光的速度。因此，超新星遺跡自身就是無(wú)比巨大的加速器。

　　超新星1054也不例外，它在爆發(fā)幾年后也開(kāi)始成為超新星遺跡，即上面說(shuō)的蟹狀星云�？此迫诵鬅o(wú)害的蟹狀星云里，也有強(qiáng)烈的沖擊波，這些沖擊波將大量質(zhì)子和電子加速到極端高速、極端高能的狀態(tài)，四散開(kāi)來(lái)。

　　極端高能電子與背景光子的碰撞

　　極端高能的電子四散開(kāi)來(lái)之后，其中一部分朝著地球的方向飛來(lái)。這些極端高能電子在朝著地球運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，彌漫到超新星1054附近的低能背景光子們等到了機(jī)會(huì)，它們經(jīng)常被高能電子撞擊成高能光子。而我們這個(gè)故事中的主角們就是這群光子中的一部分。

　　在某個(gè)時(shí)期，被超新星遺跡加速的一批超高能電子撞擊了周?chē)�的那些低能背景光子，將大量能量傳遞給那些低能背景光子，使得這些漂流的背景光子的能量從10000分之1電子伏左右提升到100萬(wàn)億電子伏以上，最高的達(dá)到了450萬(wàn)億電子伏，能量提高到原來(lái)的大約4億億倍左右，是可見(jiàn)光光子能量的百萬(wàn)億倍。

圖：低能光子與高能電子碰撞，獲得巨大能量 | 王善欽

　　這個(gè)過(guò)程就如同一個(gè)身上只有1元錢(qián)的流浪者突然被給予幾億億元錢(qián)，可謂一夜暴富。這些原本低能的光子從此成為披堅(jiān)執(zhí)銳的超高能光子，朝著地球方向奔襲而來(lái)。經(jīng)過(guò)大約6500年，它們終于抵達(dá)地球。

　　光子與地球大氣的碰撞：大氣簇射

　　地球上空有一層厚厚的大氣，大氣里有大量的各類(lèi)氣體分子。從太空中襲來(lái)的各類(lèi)宇宙線(xiàn)與大氣分子中的原子核碰撞，力量被大大削弱。因此使得我們免受高能宇宙線(xiàn)的傷害。 

　　那個(gè)超高能光子也在進(jìn)入大氣之后與大氣分子中的粒子相互作用，產(chǎn)生了其他高能粒子，這些高能粒子又與周?chē)�的大氣分子中的粒子相互作用，產(chǎn)生了更多其他粒子，這個(gè)連鎖反應(yīng)會(huì)發(fā)生多次，因此被稱(chēng)為“大氣簇射”，其結(jié)果是一個(gè)高能粒子激發(fā)出眾多粒子。

圖：高能粒子在大氣中激發(fā)簇射的示意圖 | 王善欽

　　由這些超高能光子激發(fā)出的眾多帶電粒子中的一部分進(jìn)入了位于西藏的羊八井ASgamma實(shí)驗(yàn)的探測(cè)器陣列。這個(gè)陣列的核心是水切倫科夫探測(cè)器。什么是水切倫科夫探測(cè)器？它的原理是什么？

　　切倫科夫輻射與水切倫科夫探測(cè)器

　　1934年，切倫科夫（Pavel Cherenkov， 1904-1990）研究放射性元素釋放出的射線(xiàn)穿過(guò)液體的現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)液體發(fā)出藍(lán)光，經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析，他確定這暗淡的藍(lán)光并不是熒光。這個(gè)輻射后來(lái)被稱(chēng)為切倫科夫輻射。1937年，切倫科夫的同事弗蘭克（Ilya Frank， 1908-1990）和塔姆（Igor  Tamm， 1895-1971）解釋切倫科夫輻射的成因：帶電粒子在液體中的速度超過(guò)了光在液體中的速度，因此發(fā)出了藍(lán)光為主的輻射。

　　根據(jù)愛(ài)因斯坦的相對(duì)論，真空中，任何物質(zhì)的速度都不可能超過(guò)光速。不過(guò)，在介質(zhì)中，粒子的速度可以超過(guò)介質(zhì)中的光速。比如，光在真空中的速度是每秒30萬(wàn)千米，在水中，光的速度是每秒22.5萬(wàn)千米；如果帶電粒子在水中的速度超過(guò)每秒22.5萬(wàn)千米，這個(gè)高速粒子就會(huì)發(fā)出切倫科夫輻射。因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)和解釋了切倫科夫輻射，切倫科夫、弗蘭克和塔姆分享了1958年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

　　實(shí)際上，這一現(xiàn)象早在1888到1889年就被英國(guó)物理學(xué)家海維塞德（Oliver Heaviside， 1850-1925）在理論上所預(yù)言；1904年，德國(guó)物理學(xué)家索末菲（Arnold Sommerfeld， 1868-1951）也預(yù)言了這個(gè)現(xiàn)象。但因?yàn)?905年誕生的相對(duì)論認(rèn)為物質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度不會(huì)超過(guò)真空中的光速，這兩人的工作迅速被遺忘，直到20世紀(jì)70年代才被人重新發(fā)掘出來(lái)。事實(shí)上，愛(ài)因斯坦的相對(duì)論只是針對(duì)真空，不針對(duì)介質(zhì)。觀測(cè)方面，1910年，瑪麗·居里（即居里夫人，Marie Curie，1867-1934）發(fā)現(xiàn)高濃度的鐳溶液發(fā)出了暗淡的藍(lán)光，但沒(méi)有進(jìn)一步調(diào)查這類(lèi)現(xiàn)象。

　　切倫科夫輻射被發(fā)現(xiàn)并被解釋后，很快就被用來(lái)設(shè)計(jì)探測(cè)器。如果探測(cè)器的介質(zhì)用的是純水，就是水切倫科夫探測(cè)器；同理，有重水切倫科夫探測(cè)器、冰切倫科夫探測(cè)器，甚至還有空氣切倫科夫探測(cè)器。下圖為位于美國(guó)俄勒岡州里德學(xué)院（Reed College）的水下放射性反應(yīng)堆的堆芯，放射性元素衰變釋放出的高能電子在水中穿梭，速度超過(guò)水中的光速，發(fā)出幽藍(lán)的切倫科夫光。

圖：位于里德學(xué)院的供科研使用的水下核反應(yīng)堆的堆芯附近的藍(lán)色切倫科夫光 | United States Nuclear Regulatory Commission

　　西藏羊八井ASgamma實(shí)驗(yàn)的探測(cè)器的探測(cè)

　　位于西藏海拔4300米處的羊八井的探測(cè)器由多個(gè)裝滿(mǎn)高度純凈水的切倫科夫探測(cè)器組成，每個(gè)探測(cè)器里放著一種被稱(chēng)為“光電倍增管”的儀器。這個(gè)項(xiàng)目是中日合作項(xiàng)目，選擇日本作為合作方，是因?yàn)槿毡驹谒�切倫科夫探測(cè)器方面的技術(shù)世界領(lǐng)先，著名的神岡探測(cè)器與其升級(jí)版——超級(jí)神岡探測(cè)器都是水切倫科夫探測(cè)器，在中微子科學(xué)領(lǐng)域做出了多項(xiàng)重要貢獻(xiàn)，于2002年與2015年兩次獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

　　羊八井項(xiàng)目分別由中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所和日本東京大學(xué)宇宙線(xiàn)研究所負(fù)責(zé)中日雙方的事務(wù)，于1990年完成第一期，此后多次升級(jí)。2014年，建設(shè)成位于地下的水切倫科夫探測(cè)器。這個(gè)新建設(shè)的地下探測(cè)器使羊八井實(shí)驗(yàn)組成為探測(cè)超高能宇宙線(xiàn)方面最靈敏的小組。

　　那些漂流的超高能光子激發(fā)出的大量高速、高能帶電粒子穿過(guò)羊八井實(shí)驗(yàn)組安置在地下的水切倫科夫探測(cè)器后，產(chǎn)生切倫科夫光，這些光打到光電倍增管，后者將信號(hào)放大，傳輸?shù)浇K端，探測(cè)完成。

　　至此，這群漂流的光子及其能量的“繼承者”們的奇幻旅程終于結(jié)束。

　　在探測(cè)到信號(hào)之后，中日科學(xué)家通過(guò)精確的計(jì)算與分析，反推出這些產(chǎn)生輻射的粒子的源頭是一批超高能光子，其中24個(gè)能量超過(guò)100萬(wàn)億電子伏，超過(guò)此前的探測(cè)記錄；其中，能量最高的達(dá)到了450萬(wàn)億電子伏，是此前被探測(cè)到的最高能光子的能量的6倍。

　　LHAASO：更強(qiáng)的探測(cè)器

　　2018年6月，我國(guó)開(kāi)始建設(shè)位于四川海拔4410米的稻城、占地1.36平方千米的“大面積高海拔宇宙線(xiàn)觀測(cè)站”（LHAASO），預(yù)計(jì)耗資12億元，現(xiàn)在已經(jīng)建成一部分。LHAASO由多個(gè)廣角空氣切倫科夫探測(cè)器、上千個(gè)地下的水切倫科夫探測(cè)器、占地近8萬(wàn)平方米的地上的水切倫科夫探測(cè)器和幾千個(gè)閃爍液探測(cè)器構(gòu)成，可以用來(lái)探測(cè)三個(gè)能量范圍內(nèi)的伽馬射線(xiàn)和“宇宙線(xiàn)”。這個(gè)項(xiàng)目的靈敏度比羊八井探測(cè)器的靈敏度高至少幾十倍，將對(duì)超高能帶電粒子和超高能光子的研究產(chǎn)生更深遠(yuǎn)影響。

　　在不遠(yuǎn)的將來(lái)，我們將會(huì)看到更多更高能的光子漂流到我們地球。