立足高海拔观测站 探寻宇宙线奥秘

——河北师范大学物理学院崔树旺教授

宇宙线是来自太空的高能粒子，它们携带着丰富的天体物理信息抵达地球，但其起源和传播机制仍然是现代天体物理学中最具挑战性的谜题之一。宇宙线的起源不仅涉及粒子物理，还与超新星爆发、脉冲星、活动星系核等天体物理过程密切相关。揭示宇宙线的传播机制对于理解宇宙磁场结构、星际介质分布以及宇宙射线对星系演化的影响都具有重要意义。

近年来，随着观测技术的进步和大型实验设施的建设，如高海拔宇宙线观测站（LHAASO）等，科学家们正在获取前所未有的高质量数据。这些数据为解开宇宙线之谜提供了新的线索和可能性。河北师范大学物理学院崔树旺教授团队（以下简称“团队”）长期关注宇宙线研究领域，通过紧密对接国家战略需求，深度参与大科学装置，团队实现了高水平科研成果的产出和科研能力的持续提升，同时展现了科研创新的引领作用和对高端人才培养的积极作用，先后获得中国科学院高海拔宇宙线观测站工程建设优秀团队奖和国家大科学装置工程建设重要贡献奖。

1 宇宙线数据分析方法研究

宇宙线数据分析和实验研究是探索宇宙奥秘的关键途径之一，它将理论物理、实验技术和数据科学紧密结合，为揭示宇宙高能现象提供了有力工具。团队长期关注这一领域，主导和参与完成了多项宇宙线研究相关工作。

基于等天顶角方法的全天区扫描方法是中国科学家在宇宙线研究数据分析过程中的重要贡献，团队作为主要贡献者，首先实现 ASγ实验的二维全天区扫描，并在接下来的几年中与合作组不断对该方法发展和完善，得到了一系列的重要物理结果。他们还研究了该方法在应用和误差分析中应注意的问题，在国内外会议上多次展示研究进展。

在数据分析和模拟计算方面，团队承担并完成了ARGO-YBJ 实验的灵敏度估算工作，作为 ARGO-YBJ实验全天区扫描和大尺度各向异性研究课题的重要承担单位，完成了实验各向异性的能谱和周期分析工作。

同时，团队是高海拔宇宙线观测站项目预研和建设的骨干力量，在前期工作中，他们建立了LHAASO-KM2A 阵列快速模拟程序，估算其对 30 TeV 以上伽马射线源的灵敏度，对其观测高能射线源的能力预期做出正确的判断，对项目立项起到重要推动作用。超新星遗迹在高海拔宇宙线观测站视场的预期为挖掘未来高海拔宇宙线观测站实验数据的物理分析指明了方向。在数据分析和实验过程中，团队培养和锻炼了专业人才，为我国宇宙线研究做出了特色贡献。丰富的实验和数据分析经验，为完成更高强度的科研任务奠定了良好基础。

2 宇宙线分布特性研究

宇宙线分布特性研究是探索宇宙奥秘的重要窗口，它为理解高能粒子起源、加速机制和传播过程都提供了关键线索。团队依托西藏羊八井宇宙线观测站的 ASγ实验和 ARGO 实验开展研究，试图从这些分布特性中解读宇宙的结构和演化。

在 ARGO-YBJ 实验测量宇宙线分布大尺度各向异性研究中，团队捕捉到 23 ～ 24 个太阳活动平静期能量范围最宽、结构最为精细的变化特征，为理解宇宙线各向异性分布起因、建立理论模型以及太阳系所处位置银河磁场分布结构构造理论模型提供了重要的实验依据，该工作是 ARGO-YBJ 实验又一个重要物理结果。团队联合 ASγ实验和 ARGO-YBJ 实验记录的自 2000 年 1月至 2012 年 12 月的数据，研究了大尺度各向异性分布特征的稳定性。研究发现，低能部分显出随太阳活动周期有微弱变化的趋势，这一发现为研究行星际磁场对宇宙线的影响做了有益的探索。

3 LHAASO-KM2A 电源系统开发

宇宙线观测站是现代天体物理学研究中不可或缺的重要科研设施。这些观测站通常建立在高海拔、远离城市的地区，它们的核心任务是探测宇宙线——那些穿越浩瀚宇宙空间抵达地球的高能粒子。通过精确测量宇宙线的能量、方向和成分，科学家们试图揭示它们的起源和加速机制，进而探索宇宙中最极端的物理过程。从低能太阳宇宙线到超高能河外宇宙线，这些观测站为观察宇宙打开了新的窗口。

2015 年 12 月 31 日，国家重大科技基础设施建设项目“高海拔宇宙线观测站”获批立项。2023 年底，该观测站建成并开始观测运行，预期科学寿命 20 年。河北师范大学自 2008 年以来与中国科学院高能物理研究所等相关团队紧密合作，深度参与该项目的预研工作。为了实现分布式高低压电源系统在特殊环境条件的正常运行，河北师范大学实验室配备了压强温控装备，用于监测电源工作在极端条件的性能参数。此外，他们还多次到 4300 m 海拔的羊八井宇宙线观测站进行实地测试。

该项目的成功实施，提升了我国重大科研项目的科研实力，在国内乃至国际上也将产生深远的影响。

4 基于宇宙线“膝区”能谱测量的热中子探测技术研究

宇宙线热中子探测器（EN-Detector）是一种将热中子探测技术应用于宇宙线广延大气簇射测量的新型闪烁体探测器。它采用 ZnS(Ag) 晶体粉末中添加氧化硼（B2O3）构成闪烁体薄片作为俘获热中子材料，同时捕获簇射中的电磁粒子和簇射芯区强子引起的热中子信号。

该技术是高海拔宇宙线观测站探测技术的拓展，其物理目标是精确测量拍电子伏特能区宇宙射线，提高成分区分和能量分辨能力，进而解决宇宙射线膝区物理难题。由 64 台探测器构成的 ENDA 阵列已经在高海拔宇宙线观测站实验基地安装完成。

团队通过细致分析 ENDA 阵列性能，以本底水平和成因、探测器阵列模拟和数据重建为主要研究内容，结合 KM2A、WCDA、WFCTA 实验提供的测量参数，统计和提炼与高海拔宇宙线观测站实验符合的事例特征，期望把“膝区”宇宙射线成分测量精度提高到前所未有的高度，为宇宙线加速和传播理论模型提供限制条件，更加清晰展示“膝区”成因的图像。

团队与俄罗斯科学家在河北师范大学实验室讨论宇宙线

热中子探测器的技术问题（中间为崔树旺教授）

5 主要创新点与科学意义

在过去 20 余年里，团队以坚韧不拔的科研精神和创新求索的学术态度，在宇宙线物理这一充满挑战的前沿领域不断开拓进取。他们的工作涵盖了从数据分析方法创新、探测器技术研发到大科学工程的多个方面，为我国乃至国际宇宙线物理研究做出了重要贡献。团队开发的等天顶角全天区二维扫描方法，为宇宙线大尺度各向异性研究提供了有力工具；参与开发的新型宇宙线热中子探测器，为精确测量拍电子伏特能区宇宙线开辟了新的途径。同时，团队积极参与高海拔宇宙线观测站项目，彰显了他们在国家重大科技基础设施建设中的重要作用。

随着高海拔宇宙线观测站等大型观测设施的全面运行，宇宙线物理研究正迎来新的机遇。未来，这支充满活力的研究团队将在宇宙线物理的探索之路上砥砺前行，为揭示宇宙奥秘、推动人类科学事业的进步作出更大的贡献。

专家简介

崔树旺，中共党员，河北师范大学物理学院教授，理论物理专业博士生导师，天文学专业硕士生导师，物理学科教学论专业硕士研究生导师。兼任校园宇宙线观测联盟副理事长、天府宇宙线研究中心特聘研究员、西藏大学客座教授、教育部重点实验室“西藏大学宇宙线开放实验室”学术委员会委员。担任西藏羊八井宇宙线国际合作中日 ASγ实验和中意 ARGO实验合作组河北师范大学负责人、国家重大科技基础设施建设项目“高海拔宇宙线观测站”河北师范大学合作组负责人、新型宇宙线热中子探测 LHAASO-ENDA实验团队主要负责人之一。2024年获“全国优秀教师”称号。