高海拔宇宙線觀測站(LHAASO)是110年來人類研究宇宙線最大的實驗裝置之一，核心的科學問題是尋找宇宙線的起源，不但要探測超高能(UHE)伽馬射線源，還要精確測量地球附近帶電宇宙線的成分和能量分布，系統地研究宇宙線的加速與傳播。其首批科學發現就開創了UHE伽馬天文學領域，展現出銀河系豐富多彩的宇宙線加速源的候選天體，奠定了發現宇宙線起源的良好基礎，指明了隨后探索宇宙線加速機制、傳播效應等精確研究的方向，同時也對現有的理論和模型提供了精確檢驗的機會與挑戰。LHAASO的發現，對其后宇宙線、伽馬天文、中微子天文等方面的未來實驗研究提出了明確的要求。LHAASO首席科學家，中科院高能所曹臻研究員在《科學通報》發表文章，綜述了我國大科學裝置LHAASO及其科學發現意義，介紹了其在宇宙線研究中的歷史作用，并對未來的發展做出了展望。
宇宙線研究雖始于110年以前Victor Hess的著名發現，但仍然是一門“年輕”的學科，沒有形成一個“標準模型”完整地描述其起源、加速的機制、星際空間的傳播，甚至于進入太陽系之后受到的太陽活動調制效應也是近些年才有了比較精確的測量和研究。大量實驗數據的積累、細致的分析、與各種模型的比對是整個研究領域的主流工作。一個非常重要的原因，就是對宇宙線粒子的源頭缺乏足夠的知識。首先沒有定位其源天體，因此更不清楚它們是如何被加速到超過人造加速器千萬倍的高能量，只是根據銀河系內的平均磁場強度，推算出大約1018 eV以下的宇宙線粒子可以被束縛在銀河系內，那么能量更高的宇宙線應該是源自銀河系以外的加速源。但是，這種從河內到河外起源的轉換，也還是本領域的一個前沿研究課題，尚需要更多觀測證據來確認。
因此，溯源是宇宙線研究中的核心問題，之所以會如此困難，正是因為宇宙中無所不在的磁場，經歷了大約百萬年的傳播過程，帶電的宇宙線粒子完全失去了它們的出發點信息，我們只能通過捕捉宇宙線在其加速源內產生的中性粒子——光子和中微子來完成這項任務。這就是所謂“甚高能伽馬射線天文學”誕生的原始動機。代表性的實驗裝置——成像Cherenkov光望遠鏡的內稟特性，決定了其工作能區在0.1~100 TeV。從1989年發現第一個輻射出TeV光子的源——蟹狀星云開始，已經累計發現了200多顆TeV伽馬射線源天體(源天體動態列表見tevcat.uchicago.edu)。這無疑為發現宇宙線的起源向前邁了一大步，但尚未解決這個世紀謎題，因為對所有這些源的伽馬輻射機制的確認，主要是通過一個寬廣能量范圍(從射電到10 TeV伽馬射線)的多波段分析研究，都碰到了一個競爭性的機制：這些伽馬射線更像是由高能電子輻射出來的，而不是由重子宇宙線粒子產生出來。從天文學的角度來看，TeV伽馬天文的這些發現無疑是非常大的進步，但對于解決宇宙線的起源問題，似乎沒有產生太大的幫助。隨著該領域主力裝置的積分靈敏度逐漸到達其極限，整個領域已經缺乏沖擊這個核心科學問題的動力，許多的唯象研究甚至傾向于描繪一種圖像：銀河系的天體大概存在幾百TeV的加速能力上限，由此導致的結果就是超過100 TeV，也許伽馬射線能譜就截斷了。這種結果似乎與地球上測量到的重子宇宙線能譜在該能區的一個著名現象——20世紀50年代發現的宇宙線能譜所謂的“膝”狀結構近似地吻合了，即其流強隨能量下降的冪律函數關系在該能區突然加劇了，但是并不是很精確的符合，而且這并沒有回答更高能量宇宙線起源的問題。
其實，對于由實驗主導的宇宙線研究領域來說，真正的需求應該是裝備的提升，需要新一代的探測器以前所未有的靈敏度，開創一個新的時代。新千禧年的第一個十年，各國紛紛提出下一代伽馬天文觀測大科學裝置計劃：歐洲國家提出了建造100多臺Cherenkov望遠鏡組成的陣列(CTA)計劃;美國選擇一條通過升級改造實現適度提升靈敏度的高海拔水Cherenkov探測器(HAWC)計劃;而我國提出了在“十二五”期間建設高海拔宇宙線觀測站的計劃，正式參與這場全世界范圍內的科學發現競賽。
高海拔宇宙線觀測站(LHAASO)是我國自主提出，并設計、建造的新一代伽馬射線望遠鏡和宇宙線探測裝置。它具有前所未有的伽馬射線探測靈敏度，將伽馬天文的研究帶入了人類從未觀測過的新波段，即光子能量高于0.1 PeV的所謂超高能伽馬射線波段，繼已經活躍了30年的“甚高能伽馬射線天文學”之后，開啟了“超高能伽馬射線天文學”的新時代。
本文首先簡單介紹LHAASO實驗及其建設過程，其次總結LHAASO的第一批科學發現，即大量存在于銀河系內的拍電子伏加速器(PeVatron)，然后討論PeVatron對于尋找宇宙線起源的作用與貢獻，最后討論兩個話題：其一是PeVatron的發現對現有物理規律的挑戰，其二是面臨這突如其來的新研究領域，LHAASO還存在哪些不足，未來應該怎樣發展和規劃。詳細內容請見原文。
LHAASO已經進入觀測狀態，啟動了其超高能宇宙線源的發現之旅。每一個劃時代的探測器投入觀測運行，由于其領先的探測靈敏度，必然會有新的發現隨之而來，但自然界卻并不保證在任何一個新的窗口、波段都存在像超高能伽馬射線天文如此豐富的新現象和關鍵性的觀測證據，使我們能夠迅速地逼近核心科學問題，明確近期、中期、甚至長期努力的方向和目標。這使得LHAASO在整個宇宙線研究歷史上扮演了一個推開蘊藏著謎底的密室大門的重要角色，一個個PeVatron好比鎖著謎底的百寶箱，已經呈現在LHAASO的面前。我們將不懈地努力探索每一個PeVatron的超高能伽馬輻射機制和粒子加速機制，直到發現宇宙線起源。
