简介
天体物理中心简介
西南交通大学天体物理中心是国内天文及高能物理研究领域的重要单位之一，从上世纪80年代就参与西藏羊八井宇宙线观测实验，在宇宙线实验观测、数据处理和物理分析方面积累了丰富的经验，是十四五期间前瞻引领型的国家重大科技基础设施高海拔宇宙线观测站LHAASO的核心成员建设单位。中心根据工作内容的不同与需求，下设粒子天体物理与实测天体物理两个科研团队。
中心现有教师17人，其中教授4人，副教授5人，讲师和助理研究员8人，科研秘书2人，硕士、博士研究生等30余人。团队近年来承担了LHAASO望远镜的标定和大气监测系统的建设、运行及远程控制的任务。该激光标定系统于2020年10月份成功运行，实现了对高海拔宇宙线观测站工程广角切伦科夫望远镜阵列的绝对标定和大气监测，填补了国际上在海拔4410米运用激光光束标定宇宙线探测器的空白。
天体物理中心历史发展
宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子，宇宙线的起源、传播及加速机制仍然是物理学、天文学、宇宙学等相关学科研究的前沿热点问题。西南交通大学的宇宙线研究历史可追溯至上世纪八十年代。经过了30多年的发展，从初期的现代物理研究所，到西南交通大学-中国科学院高能物理研究所宇宙线物理联合实验室，再到今天的粒子天体物理中心，已经成为在国内、外宇宙线相关研究领域中有重要影响的团队。
一、西南交通大学宇宙线研究的开端 -仰望心空，以梦为马；脚踏实地，不负韶华
1989年在焦善庆教授带领下，西南交通大学宇宙线与天体物理团队加入了Tibet ASγ 合作组，成为西藏羊八井国际宇宙线观测站的主要建设力量，至今参与取得了一系列重大科研成果。比如观测到高能宇宙线各向异性以及宇宙线等离子体与星际间气体物质和恒星共同围绕银河系中心旋转（SCIENCE，314:439（2006））、首次观测到来自于蟹状星云的能量超过100TeV光子（PHYSICAL REVIEW LETTERS ，123:051101（2019））、首次发现PeV能量宇宙线源广泛存在于银河系的证据（ PHYSICAL REVIEW LETTERS ，2021，4,2 ）。
图1. 焦善庆教授（左三）与其研究生在一起（左二：李树深院士，右二：马凤才教授，右三：潘留仙教授，右一：冯振勇，左一：贾焕玉）
为了进一步推动西南交通大学物理学科建设和宇宙线物理相关研究，1998年学校批准设立了“西南交通大学现代物理研究所”。
图2.设置现代物理研究所的批复
二，西南交通大学宇宙线研究的初步发展阶段
从上世纪80年代末至今（2013年中意合作西藏羊八井ARGO实验结束，ASr实验继续运行），西南交通大学全面参与了西藏羊八井宇宙线观测站的建设、维护运行及数据的物理分析。随着参与的深入，人才培养得到近一步加强。贾焕玉从北京大学博后出站继续到校工作；周勋秀2003年硕士留校工作；祝凤荣2010年2月份从中国科学院高能物理研究所博士后出站到西南交通大学工作。
参与完成了羊八井宇宙线观测站的一、二期阵列建设
在这个过程中，西南交通大学的冯振勇和贾焕玉分别在1990年年初和6月底前往羊八井参与了3个月的一期阵列的设备安装和标定调试运行等工作。图3是贾焕玉教授安装光电倍增管（PMT）。
图3. 贾焕玉安装探测器PMT
图4. Asγ阵列的数据采集系统，贾焕玉值班中
1994年-95年和1998年，贾焕玉分别在羊八井进行了2期每期6个月的运行值班。冯振勇和黄庆等在羊八井进行了为期5个月和2个月的运行值班。
全面参与ARGO实验的建设、维护运行
西藏羊八井ARGO实验，网址为http://argo.na.infn.it/，是中国和意大利科学家共同建设的地毯式全覆盖阻性板探测器阵列。该探测技术由意大利罗马二大的科学家R.Santonico教授发明。该探测器于2006年7月份主探测器阵列建设完成。西南交通大学也是ARGO合作组的核心成员，全面参与了这个实验的建设、维护运行及数据分析。
图5. 冯振勇（左一）在羊八井与中外学者一起进行探测器的测试
图6. 研究生何丽萍（左一）和祝凤荣老师（左二）在羊八井与高能所人员一起进行探测器的安装
图7. 高能所李惕培院士（左）和西南交大的周勋秀（中，运行值班）、贾焕玉（右）在羊八井
* 科学成果
1992年,团队参与发表了Tibet ASr合作组第一篇科学文章（Search for Steady Emission of 10TeV Gamma Ray from the Crabl Nebula,Cyg X-3 and Her X-1 Using the Tibet Air Shower Array,Phys. Rev. Lett. 69(1992）2468)；
1994年，团队成员贾焕玉与高海拔宇线观测站（LHAASO）首席科学家、中科院高能物理研究所曹臻研究员等合作发表了双方合作的第一篇学术文章（“甚高能区宇宙线流强气象效应分析”，高能物理与核物理，18（1994）788）；
2000年，团队获省部级科技进步一等奖（证书编号：99-1-3-03），贾焕玉代表西南交通大学获羊八井一期阵列宇宙线实验结果一等奖。奖状如下：
图8.团队获省部级科技进步一等奖（左）贾焕玉获羊八井一期阵列宇宙线实验结果一等奖（右）
2000年，团队参与发表了ARGO合作组第一篇科学文章（Result from the ARGO-YBJ Test Experiment,Nucl.Phys. B,Suppl.,85(2000)338 ）；
2006年，团队参与发表Tibet ASGamma合作组重大科研成果（Science,314(2006)5798）,首次从实验上确认了银河宇宙线围绕银心共转。如图8所示，是不同能量的宇宙线(A: 4 TeV, B: 6.2 TeV, C: 12 TeV, D: 50 TeV, E: 300 TeV)在天区的相对流强。图中的横坐标是赤经，纵坐标是赤纬。
图9. 不同能量的宇宙线流强在天区上的分布
2011年，西南交通大学祝凤荣首次作为通讯作者代表ARGO合作组发表学术文章（Mean Interplanetary Magnetic Field Measurement Using the ARGO-YBJ Experiment,Astrophys. J., 729(2011)113）
主持的代表性项目：
1.国家自然科学基金：（11175147）利用西藏羊八井ARGO实验研究宇宙线与大气电场的关联，62万，2012.01-2015.12
2.国家自然科学基金：（11205126）利用羊八井ARGO实验研究太阳磁场和行星际磁场，30万，2013.01-2015.12
3.国家自然科学基金，（11475141）利用ARGO实验的双前锋面事例和新升级的ASgamma联合实验研究10GeV以上能区的伽马射线暴，96万，2015.01-2019.12
人才培养：
培养了一大批高层次研究生，为我国的宇宙线研究向更高水平的迈进所需要的人才队伍培养做出了重要的贡献。肖刚(2003级)、李会财(2010级)都是高海拔宇宙线观测站LHAASO建设的中坚力量，其中肖刚是LHAASO的MD阵列的负责人，李会财是LHAASO的WCDA的水质监测负责人。
三、西南交通大学宇宙线研究的快速发展阶段
高海拔宇宙线观测站LHAASO是国家十二五期间立项的重大科技基础设施项目，也是十四五期间前瞻引领的国家重大科技基础设施。西南交通大学全面参与了LHAASO的立项、建设及数据分析工作，成功完成了LHAASO望远镜的标定及大气监测工作的建设任务。西南交通大学的宇宙线研究也借此得到了快速的发展。2016年3月份，西南交通大学-中国科学院高能物理研究所联合宇宙线物理研究所在现代物理研究所的基础上成立，吸引了一批优秀人才的加入。其中，谢宁（副教授）2016年6月加入；何钰（交大博士）、陈起辉（川大博士）2017年8月加入；刘虎(AMS组丁肇中组博后)于2019年5月份加入；陈龙（上海交大博士）于2020年4月份加入；辛玉良（紫台刘四明博后）、郭晓磊（紫台范一中博士）2020年9月加入；王阳（佛罗里达博士）2021年1月加入；刘四明（国家人才计划入选者，西南交通大学优秀拔尖人才专家）2021年4月加入；刘煜（国家人才计划入选者）2023年3月加入。西南交通大学参加LHAASO合作组的人员有教师和研究生近30人，是LHAASO合作组中除了中国科学院高能物理研究所外投入人员力量最多的单位。
图10. 2021年4月摄于学校图书馆前
参与LHAASO建设：
高海拔宇宙线观测站（LHAASO）是以宇宙线观测研究为核心的国家重大科技基础设施，位于四川省稻城县海拔4410米的海子山，占地面积约1.36平方公里，是由195个电磁粒子探测器和1188个缪子探测器组成的一平方公里地面簇射粒子阵列（简称KM2A）、78000平方米水切伦科夫探测器、18台广角切伦科夫望远镜交错排布组成的复合阵列。LHAASO采用这四种探测技术，可以全方位、多变量地测量宇宙线。
2021年5月6号，西南交通大学和中国科学院高能物理研究所签订合作备忘录，标志着西南交通大学正式加入LHAASO国际合作组。
图11. 合作备忘录现场：前排：贾焕玉教授，曹臻研究员（高能所，LHAASO首席科学家），
后排从左至右：郭晓磊，刘虎，王阳，陈龙，祝凤荣，张寿山（高能所），张勇（高能所），刘四明，辛玉良
2021年5月17日，中国科学院高能物理研究所和Springer Nature在北京举行了相关发现成果的联合发布会。刘四明教授作为西南交大粒子天体物理团队负责人，参加了北京LHAASO新闻发布会现场并回答记者提问。
图12. 西南交通大学粒子天体物理团队负责人刘四明教授答记者问
图13. WFCTA激光标定与大气监测负责人祝凤荣副教授于LHAASO现场接受四川卫视记者的采访
高海拔的LHAASO站点面临着气压低、温差大等恶劣环境。要将科研级研制的仪器设备放置于这种环境并实现功能目标是一个不小的挑战。
图14.学生孙秦宁、夏君集在调试激光
在对原初粒子诱发的簇射粒子的探测中，谬子探测器和电磁粒子探测器在本次LHAASO项目重要成果中起了关键作用。西南交大团队参与了其设计、研制、安装运行、性能测试等工作。
图15.学生张云峰、庞斌宇、王辉测试MD及ED探测器
为深入研究雷暴天气对宇宙线的影响，在LHAASO观测站安装了雷电监测设备。2019年9月在LHAASO观测站安装了第一台大气电场仪，可详细记录大气电场的变化情况；2021年10月安装了一台大气电场仪和一台闪电定位仪（图11）。利用雷电监测设备实时记录的大气电场和闪电信息，可研究高海拔区域雷暴期间大气电场和闪电的特征，以及LHAASO观测站上空雷暴云的电荷结构，并为研究雷暴电场与LHAASO中宇宙线变化的关联、大气电场加速宇宙线次级粒子的物理机制、闪电的触发机制提供重要信息。
图16. 2021年10月在LHAASO观测站安装闪电定位仪(左)和大气电场仪(右)的现场
标定验收：
建设WFCTA激光标定和大气监测系统，该系统于2020年10月份成功运行，实现了对LHAASO-WFCTA的绝对标定和大气监测，填补了国际上在海拔4400米运用激光光束标定宇宙线探测器的空白。并于2021年5月6日在西南交大顺利完成LHAASO最高级别的鉴定验收，得到了领导与同行高度认可。
图17. LHAASO望远镜光子数绝对标定和大气监测鉴定验收会
科学成果：
1.代表性文章及著作
2021年5月17日，中国科学院高能物理研究所和Springer Nature举行联合发布会，国家重大科技基础设施“高海拔宇宙线观测站（LHAASO）”在银河系内发现大量超高能宇宙加速器，并记录到来自于天鹅座能量达1.4拍电子伏的伽马光子（拍=千万亿），这是人类观测到的最高能量光子，突破了人类对银河系粒子加速的传统认知，开启了 “超高能伽马天文学”的时代，这些发现于当日发表在《Nature》（自然）Ultrahigh-energy photons up to 1.4 petaelectronvolts from 12 γ-ray Galactic sources。（https://www.nature.com/articles/s41586-021-03498-z）
对于来自蟹状星云方向的超高能伽马光子，除了KM2A和WCDA的探测，由西南交通大学承担标定系统建设和远程控制的WFCTA也同时探测到两个能量接近拍电子伏（能量分别为0.88和0.92拍电子伏）的伽马光子，这些观测对于准确测量光子的能量非常重要。
图18. LHAASO三大探测器同时探测到能量达0.88拍电子伏的伽马光子
LHAASO合作组科研人员还在一颗中等年龄（约21万年）脉冲星PSR J0622+3749周围发现了迄今为止第三例延展伽马辐射晕现象，并首次探测到此类延展晕0.1 拍电子伏以上的辐射。与之前发现晕的两颗脉冲星相比，这个源距离地球要远5倍以上，LHAASO的高灵敏度对于这个晕的发现至关重要。LHAASO的观测结果表明高速旋转（周期小于1秒）的中等年龄脉冲星周围可能普遍存在高能伽马辐射晕，对这类源的系统研究将有助于我们揭示脉冲星中的粒子加速和传播特征。这一研究成果在Physical Review Letters上刚刚发表，并被美国物理学会网站选为亮点成果加以报道。 Extended Very-High-Energy Gamma-Ray Emission Surrounding PSR J0622+3749 Observed by LHAASO-KM2A （https://doi.org/10.1103/PhysRevLett126.241103）
图19. LHAASO观测的脉冲星J0622+3749延展晕状伽马辐射显著性图
主持的代表性项目：
2021.1-2023.12国家发改委“ 激光器标准零点及YAG激光光路研制”49.8万 主持（陈龙）
2022.1-2024.12国家自然科学基金青年项目“强激光与金属丝相互作用产生的表面场演化研究”30万 主持（陈龙）
2019.1-2021.12国家自然科学基金青年项目“中空电子密度分布下的漂移波不稳定性”28万 主持（杜华荣）
2021.4-2023.3四川省科技厅“应用于宇宙线物理的热中子探测技术的研发”40万 主持（刘虎）
2021.1-2023.12国家自然科学基金青年项目“奇特强子态衰变性质的研究”24万 主持（黄银）
2022.1-2024.12国家自然科学基金青年项目“超新星遗迹和脉冲星风云的高能辐射研究” 30万 主持（辛玉良）
2021.1-2022.12中央高校基本科研专项资“超新星遗迹和脉冲星风云的高能辐射研究”10万 （辛玉良）
2021.1-2022.12中央高校基本科研专项资金“基于Fermi-LAT的超新星遗迹研究”10万 主持（郭晓磊）
2016-2021年，国家自然科学基金委“理论物理人才培养和学术交流平台建设”
2018-2022年5月，和高能所等单位联合申请到国家重点研发计划“基于高海拔宇宙线观测站LHAASO的科学研究”
2018年3月，获得LHAASO子项目“高海拔宇宙线观测站望远镜的激光定标系统”
2019-2022年，江苏省青年基金项目“超新星遗迹中的粒子加速和逃逸过程”
2020-2022年2月，申请到四川省科技计划省院省校重点合作项目“利用深度计算研究LHAASO宇宙线的成分鉴别”
2020-2023年，联合基金重点项目“银河系宇宙线的超新星遗迹起源学说”
2021.1-2023.12,国家自然科学基金委联合基金培育项目“利用高海拔宇宙线观测站(LHAASO)研究雷暴电场与宇宙线变化的关联”42万，主持（周勋秀）
教学教改项目：
为科研反哺教学，团队老师在进行科研工作的同时，还非常重视本科和研究生教学的改革与创新，申请了一系列的教学改革项目：
a.高海拔宇宙线探测虚拟仿真实验，2020年国家第二批一流课程（申报），主持
b.高海拔超高能宇宙线探测虚拟仿真实验，2020年校级实验教学重点项目，主持；
c.广角切伦科夫望远镜探测高能宇宙线虚拟仿真实验，2019年四川省教育厅示范性项目
d.高能宇宙线地面探测仿真实验，2019年西南交通大学实验教学重点(培育)项目，主持；
e.《数学物理方法》金课建设，2020年西南交通大学校级本科教改项目，主持。
f.计算机科学与技术和物理学交叉的人才培养机制探索，2020-2022西南交通大学 。
参与HERD项目：
高能宇宙辐射探测设施 (the High Energy cosmic-Radiation Detection facility, HERD)是由中科院高能物理研究所主导的的大型国际合作空间科学实验，计划于 2027年左右搭载于未来中国空间站，在轨运行10年左右。HERD 采用三维位置分辨五面灵敏的创新设计，其核心科学能力将长时间大幅度保持国际领先，将成为中国空间站标志性的旗舰级重大科学实验和具有国际影响的大型国际合作项目。
图20. HERD安装在中国空间站示意
其主要科学研究目标为：
（1）以前所未有的灵敏度搜寻暗物质，为解决天文和物理的最重大疑难之一暗物质问题做出关键贡献。从 10GeV到100TeV的高能电子的能谱和各向异性以及从500 MeV到100TeV 的伽马射线能谱寻找暗物质粒子的湮灭/衰变产物的特征信号；
（2）探究宇宙线起源的世纪之谜，可望在宇宙线物理上取得革命性的突破。精确地测量从 30 GeV 到 PeV 的原始宇宙线的能谱和成分，以确定宇宙射线“膝”结构的机制；
（3）开展高灵敏度的高能伽马射线巡天和监视，牵引国际高能天体物理界的重要科学发现，并探索脉冲星导航的新体制。进行 500 MeV 以上能区的宽视场伽马射线巡天，伽马暴探测，活动星系核和银河微类星体的监测。
自从2020年5月份西南交通大学团队参加该大型项目，参加人员目前主要为刘四明、祝凤荣、刘虎、陈龙和白禄。主要负责 HERD 硅电荷探测器的探测器模拟以及电荷重建工作。
开展亚毫米望远镜的预研制工作:
2021年6月起，西南交通大学开展15米亚毫米波望远镜的天线的预先研究工作。并于2021年10月9号和国家天文台、西藏大学开展西藏羊八井3米亚毫米波望远镜的交流研讨会。
图21. 激光跟踪仪技术交流现场: 左二：学生袁国韬、左三：陈龙老师
人才培养:
目前团队培养研究生27人，博士6人，硕士21人，其中2021届毕业生王润娜被评为校级优秀毕业生。
图22.2021级毕业生欢送会（吕彦霖，郑应，孙秦宁，解磊，白禄，夏君集，张云峰，王辉，付月，李源，刘荣，王润娜，李新，王培汉，阿西克古，陈琳？)
图23.学生王润娜评为校级优秀毕业生
同时，我们组开始接受实习生。下图是吉林大学马进文同学在结束了1个月的实习之后的汇报。
图24. 2021年8月20日，马进文同学汇报实习总结
四、未来的展望
2021年高海拔宇宙线观测站（LHAASO）建设的顺利竣工标志着我国的宇宙线研究正式实现了从向国外学习和参与国际合作，到领跑世界的飞越。超高能伽马射线天文学也因为十余个拍电子伏加速源的发现被LHAASO揭开序幕。在人类开展现代天文学多波段研究的近一百年的历史里，LHAASO是唯一一个依托中国人建设的设备打开的电磁波探测的新窗口，同时也是迄今为止能量最高的电磁波窗口。随着LHAASO的持续运行和对有关观测分析与研究工作的逐步展开，在接下来的十余年里，我们预期LHAASO将继续引领超高能伽马射线天文的发展。LHAASO对宇宙线的高精度测量也将为解决宇宙线起源这一世纪难题提供线索，为新一代宇宙线探测设备的研发打下坚实的基础。LHAASO是我国实现以科技创新推动社会发展的大科学工程的典范，为西南交通大学在粒子天体物理方向提供了前所未有的机遇。在早期宇宙线研究的基础上，我们完全有可能在粒子天体物理研究领域达到世界领先水平并进而推动相关交叉学科的发展。在西南交通大学发展起来一些高水平的特色理科方向，为交大最终发展成为理工并重的综合性大学做出贡献。