π介子揭秘宇宙射线之谜：从“拉索”重大发现看粒子物理新进展
π介子揭秘宇宙射线之谜：从“拉索”重大发现看粒子物理新进展
2024年，我国科学家利用“拉索”（高海拔宇宙线观测站）在天鹅座恒星形成区发现了一个巨型超高能伽马射线“泡泡”，确认了首个超级宇宙线源。这一重大发现不仅揭开了宇宙线起源之谜的一角，也为研究π介子等基本粒子提供了新的线索。
π介子：宇宙射线中的“信使”
π介子，又称π子，是一种亚原子粒子，由一个夸克和一个反夸克组成。它最早是在1947年从宇宙射线中被发现的，是强子家族的重要成员。π介子有三种类型：带正电的π⁺、带负电的π⁻和中性的π⁰，其中π⁺和π⁻互为反粒子，质量约为电子的273倍，π⁰的质量稍小，约264倍电子质量。
在宇宙射线研究中，π介子扮演着重要角色。当高能宇宙射线（主要是质子）进入地球大气层时，会与大气中的原子核发生碰撞，产生大量的次级粒子，其中就包括π介子。这些π介子随后会衰变成其他粒子，如μ子和中微子，最终到达地面。因此，研究π介子的性质和行为，对于理解宇宙射线的起源和传播机制具有重要意义。
“拉索”重大发现：首个超级宇宙线源
“拉索”实验是我国自主研制的宇宙线观测装置，位于四川省稻城县海子山，平均海拔4410米。它由三个阵列组成：水切伦科夫探测器阵列（WCDA）、地面簇射粒子阵列（KM2A）和广角切伦科夫望远镜阵列（WFCTA）。其中，水切伦科夫探测器阵列由三个巨大的水池组成，每个水池装有35万吨纯净水，用于捕捉宇宙线穿过水池时产生的微弱蓝光。
2024年2月，山东大学等单位的研究团队利用“拉索”观测数据，在天鹅座恒星形成区发现了一个巨型超高能伽马射线“泡泡”。这个“泡泡”中存在大量能量超过1亿亿电子伏的伽马射线，其形态分布与宇宙线加速模型相符，从而确认了首个超级宇宙线源的存在。
这一发现的重要性在于：
- 首次确认了宇宙线的具体来源，为研究宇宙线的产生机制提供了直接证据
- 展示了“拉索”在超高能宇宙线观测中的强大能力，标志着我国在该领域达到国际领先水平
- 为研究极端条件下的物理过程提供了新的窗口，有助于理解宇宙中极端天体的性质
π介子研究新进展
在粒子物理学领域，π介子的研究一直备受关注。近期，中国科学院高能物理研究所理论物理室贾宇研究员与合作者在π介子电磁形状因子的理论研究中取得重要进展。他们首次在共线因子化框架下计算了大动量转移时π介子电磁形状因子的次次领头阶（NNLO）QCD修正，并与实验数据进行了对比。这一成果发表在《物理评论快报》上，为理解π介子的内部结构提供了新的线索。
展望未来
随着“拉索”等先进观测设备的投入使用，以及理论研究的不断深入，我们有望在宇宙射线和基本粒子研究中取得更多突破。π介子作为连接微观粒子世界与宏观宇宙的桥梁，将继续在探索宇宙奥秘的征途中发挥重要作用。