粒子物理及交叉领域

粒子物理的目的是理解物质的基本结构及基本粒子之间的相互作用规律，因为需要很高能量的粒子作为探测工具，粒子物理也称为高能物理。在粒子物理研究初期，高能粒子只能取自于宇宙射线，随着加速器和对撞机的出现，粒子物理得以迅猛发展，几十年间，逐步建立了粒子物理学“标准模型”（图1），让人类对物质本身的理解达到了前所未有的高度。

图1左：“标准模型”中的“基本粒子”；右:“基本粒子”之间的相互作用。（取自维基百科）

随着粒子物理学科的不断完善，其研究方法开始向其他领域扩展，依托一系列极端物态产生装置，建立了诸多的交叉学科方向，比如依托X射线自由电子激光、强激光系统产生的超强X脉冲、极端压缩条件，在极端物态、多尺度、多自由度物理等领域的研究等。

宇宙线实验和物理

宇宙线是来自宇宙深处的高能粒子流（图2），包括各种原子核，光子，中微子等，它是我们理解遥远天体以及宇宙演化的一个高效探针。我国目前在建的大型实验——LHAASO——就是一个国际上举足轻重的宇宙线探测基地（图3）。

图2 左：宇宙线在大气中产生的大气簇射示意图；右：世界上宇宙线探测基地分布

图3 左：LHAASO宇宙线探测基地效果图；右：探测阵列分布示意图（包括μ子探测阵列，水切伦科夫探测阵列，广角大气荧光望远镜阵列，芯探测阵列等）

四川大学是LHAASO的合作单位之一，有大量的研究任务需要我们完成，包括硬件设计，数值模拟，数据分析，建立模型等方面的工作。物理研究领域涉及伽马天文学，高能天体物理（活动星系核，脉冲星，伽玛暴，黑洞），粒子物理理论（强相互作用模型，暗物质模型，量子引力）等，同时向宇宙线物理的终极目标——宇宙线的起源和加速机制——这两个世纪之谜迈进。

粒子宇宙学

“锂疑难”问题:

宇宙是如何诞生的？又是如何演化的？宇宙学中这两个“终极”问题一直困扰着人们，也因此其吸引力经久不衰。目前结合精确的天文观测，理论上已经建立了宇宙学的“标准模型”——热大爆炸宇宙学模型（图4）。这个理论历史上以其预期与观测的完美相符受到学界的普遍承认。

图4 宇宙学标准模型（Lambda-CDM模型）下的宇宙历史

近几年由于观测精度不断提高，渐渐出现了偏离标准模型的现象，从而促使科学家提出了爆炸理论假设，暗物质和暗能量假设等等来充实宇宙学。我们尤其关注大爆炸模型中的理论基石——大爆炸核合成——中的一个未解之谜，“锂疑难”问题（The Lithium Problem）（图5），通过把宇宙线的概念引入核合成时的热平衡体系将这个矛盾化解，并以此为契机把宇宙线的概念向宇宙学多个时期推广，以期解决更多观测上的新现象。

图5 左：“锂疑难”问题（锂元素的原初丰度与理论预期有很大偏差）；右：我们给出的解决方案可以化解这个矛盾

河外背景光研究:

河外背景光（Extragalactic background light,EBL）是弥散在宇宙中的光子场，主要包括红外，可见，紫外等波段，它的辐射功率仅次于微波背景辐射（图6左）。宇宙中各种天体的高能辐射在到达地球被探测之前要花大量时间穿过这个光子场，受到背景光的吸收，能量和数量分布会被改变，通过研究这种改变，可以推断背景光的能量和数量分布，从而得到宇宙演化的有关物理参数，是研究宇宙历史的重要手段。伽马射线暴（简称伽马暴，Gamma Ray Burst，GRB）是目前宇宙中最剧烈的天体活动（图6右），它也是在伽马波段我们能探测到的最遥远，最古老的天体活动。以伽马暴的伽马辐射为媒介，研究它受到核外背景光的影响，可以得到早期宇宙的演化信息，跟其他宇宙学研究相比有独特的红移（宇宙的特定时期）优势，弥补其他方法的不足。

图6 左：弥散河外背景光辐射功率谱，EBL包括图中的CIB和CUVOB波段；右：伽马暴假想图（取自维基百科）

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康明铭　kangmm@ihep.ac.cn