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尽管世界上最大的强子对撞机（LHC）加速器可以把质子能量加速到7太电子伏左右，但与自然的加速器相比，最大加速能量仍相差千万倍的量级。宇宙加速器是什么，它们是如何工作的，在如此高的能量下，物理学基本规律是否会发生变化，有关宇宙线起源、加速和传播问题是当今基础科学的前沿问题。此外，宇宙线及其相关研究也是研究极端条件下天体辐射和演化，研究星系际电磁辐射背景，间接暗物质粒子探测及研究宇宙演化的重要手段。宇宙线研究将对太阳高能活动及空间气象监测和预报发挥重要的作用。 宇宙线起源和加速研究由于银河宇宙线的功率和成分，人们普遍认为，银河宇宙线主要来源于超新星爆发以及爆发后形成的超新星遗迹上的扩散激波，最大加速能量可以达到拍电子伏（1015eV），形成了宇宙线能谱“膝”结构。根据近几十年γ射线观测的研究发现，银河宇宙线的候选者应该还包含诸如脉冲星云、γ射线双星、微类星体、OB星协、恒星形成区以及银心黑洞等天体。观测这些银河系天体在太电子伏～拍电子伏能区的γ射线辐射，为发现银河宇宙线的加速源并研究其加速机制具有重要意义。 由于宇宙线能谱在拍电子伏处发生拐折，而后在艾电子伏（1018eV）能量又变得平坦，人们一般认为艾电子伏以上的宇宙线来自银河系外。活动星系核（AGN）和γ射线爆（GRB）是最可能的候选源。 银河宇宙线的传播研究银河系普遍存在微高斯强度的磁场，宇宙线受此磁场偏转失去了源的方向，主要通过扩散过程进行传播，表现出高度的各向同性。由于存在密度梯度及各地磁场结构的差异，宇宙线强度表现出微弱的各向异性。精确测量宇宙线的各向异性对于宇宙线传播模型的研究具有重要意义。 在传播过程中，银河宇宙线会与物质尘埃和背景光子场发生作用，产生包括正负电子、反质子、γ和中微子等次级粒子，重核会碎裂成轻核，如硼等。电子在磁场中通过同步辐射或逆康普顿过程辐射γ光子。观测太电子伏～拍电子伏能区原初宇宙线能谱、次级粒子和原初粒子比、电子能谱和弥散γ射线的辐射对于研究银河宇宙线的传播具有重要意义。 宇宙线能谱的精确测量自从1958年发现宇宙线全粒子能谱在1015～1016电子伏之间存在一个“膝”的结构以来，“膝”的成因一直是宇宙线物理中的一个重要的研究课题。精确测量分成分的宇宙线能谱对于揭开这个谜团有重要意义。LHC实验针对宇宙线实验所需要的强相互作用模型问题，在接近束流的方向上开展了LHCf和TOTEM实验，强相互作用模型更加精确，为分成分的能谱测量提供了重要的基础。根据大量地面EAS实验和大气荧光实验的结果，“膝”以上的宇宙线能谱还有丰富的结构，精确测量这些结构并理解其起因对于研究超高能宇宙线的起源具有重要意义。 暗物质粒子的探测及基本物理学规律的研究天文学和宇宙学研究表明，宇宙中存在大量的暗物质粒子，在星系的中心区密度尤其高。根据粒子物理的理论，这些暗物质粒子很可能是弱相互作用大质量粒子（WIMP）。WIMP可以通过湮灭或衰变而产生高能γ射线，正负电子或中微子等，并且衰变产物的能谱具有显著的独特结构，可以被宇宙线实验中发现。如果WIMP的质量超过几个太电子伏，地面宇宙线实验将成为主要的探测手段。 量子引力理论尚未成熟，其中一些研究认为量子引力效应会破坏洛伦兹不变性（LIV），导致不同能量的光子在真空中具有不同的速度。通过诸如GRB这样的快速时变现象，可以研究量子引力和LIV效应，最强的模型限制结果来自Fermi-LAT的GRB观测。大视场和全天候实验能有效地监测GRB和AGN的时变，开展量子引力效应和LIV研究。 太阳高能活动及交叉学科的研究太阳是离人们最近的宇宙线加速源，可以把宇宙线加速到吉电子伏能区。太阳活动导致的高能粒子爆发是很多灾害性空间环境事件的起因。监测太阳系宇宙线强度的变化、研究太阳宇宙线的加速过程，对于宇宙线加速和太阳物理研究具有重要意义。此外，太阳临近范围（1AU）内磁场的变化，不仅可以对磁暴做出预报，还有重要的研究价值。 通过宇宙线与大气物理过程的同步观测，建立大气层过程与效应观测平台，研究大气臭氧层变化、辐射与气溶胶变化，以及云、雷暴、闪电和降水过程及其与高能宇宙射线之间可能存在的关系，是探索中的研究课题，对于国民经济和人类社会发展及安全具有重要意义。 |
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