四川日報 2021年01月05日
最后一個繆子探測器的建成，標(biāo)志著高海拔宇宙線觀測站的繆子探測器陣列主體工程完工。四川日報全媒體記者 徐莉莎 攝
科研人員在監(jiān)測從繆子探測器陣列中獲得的數(shù)據(jù)。新華社記者 金立旺 攝
俯瞰在建的高海拔宇宙線觀測站。 新華社發(fā)（中科院高能物理研究所供圖）
它
是捕捉“天外來客”的神器
助力于破解“新世紀(jì)科學(xué)研究的世紀(jì)謎題”
是我國“十二五”期間啟動的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項目
它就是高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）
□四川日報全媒體記者 徐莉莎
2020年12月6日，海拔4410米的稻城海子山，經(jīng)過兩年半的建設(shè)，高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）項目迎來兩個重大節(jié)點。
其一，觀測站最后一個繆子探測器建成投用，標(biāo)志著觀測站的繆子探測器陣列主體工程完工。
其二，觀測站四分之三規(guī)模的陣列正式“上崗”，包括917個繆子探測器與4008個電磁粒子探測器，標(biāo)志著我國已建成世界上高能伽馬探測靈敏度最高的觀測站。
這些神秘的探測器是怎么運行的？近日，記者走進稻城高海拔宇宙線觀測站為你揭秘。
去年6月5日，本報一篇名為《稻城深山有一座宇宙空間“天氣預(yù)報站”》的報道，為你介紹了中國空間天氣科學(xué)領(lǐng)域首個國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項目——東半球空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測子午鏈（簡稱“子午工程”）的二期稻城項目的情況。今天，我們再次帶你走進同在稻城的另一個國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項目——高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）……
高原“天網(wǎng)”捕捉粒子“陣雨”
從航拍圖上看，占地1.36平方公里的高海拔宇宙線觀測站就像一枚銅錢，放置在群山之間，科學(xué)家們戲稱它為“孔方兄”。
項目2017年開始建設(shè)，建設(shè)周期為4年，所以現(xiàn)在“銅錢”的西北角還有部分殘缺。中國科學(xué)院高能物理研究員、電磁粒子探測器陣列分總體副主任盛祥東告訴記者，觀測站共有4種探測器陣列，其中包括5195個電磁粒子探測器、1188個繆子探測器、3000路水切倫科夫探測器單元以及18臺廣角切倫科夫望遠鏡。
4種探測器在高原組成“天網(wǎng)”，用復(fù)合、精確的測量手段，“捕捉”從外太空進入地球大氣層的“天外來客”，對它們進行全息式的“體測”，測量它們的能量、種類、幾何信息等指標(biāo)。
這些“天外來客”就是宇宙線粒子。為什么科學(xué)家們要在高海拔地區(qū)建設(shè)探測器？這要從“天外來客”進入大氣層后的變化說起。據(jù)盛祥東介紹，宇宙線粒子進入大氣層后，會和大氣中的原子核發(fā)生相互作用，產(chǎn)生許多次級粒子；次級粒子繼續(xù)和大氣中的原子核相互作用產(chǎn)生新的次級粒子……如此重復(fù)，最終次級粒子數(shù)可達百億個，在空氣中像一場粒子“陣雨”，瞬間散布在數(shù)平方公里的面積上。
而粒子“陣雨”在抵達地面的過程中，會被大氣層“吞噬”一部分。因此，在高海拔地區(qū)布局探測器，就是為了搶在大氣層“吞噬”前，捕捉到更多的次級粒子，獲取更多信息。各單元的探測器通過閃爍體、水、大氣等轉(zhuǎn)換介質(zhì)，將粒子“陣雨”在介質(zhì)中沉積的能量轉(zhuǎn)化成光子，再經(jīng)光電倍增管接收放大后，通過光電轉(zhuǎn)化，變成我們熟悉的電信號讀出并記錄。
分析粒子“陣雨”攜帶的信息，就能分析出原初宇宙線與大氣的相互作用，反推原初粒子的性質(zhì)，開展相關(guān)物理研究。
土堆下的繆子探測器
行走在觀測基地，一個個36平方米大小的“土堆”就是繆子探測器。在整個基地中，這樣的探測器有1188個。據(jù)中科院高能所副研究員、繆子探測器陣列分總體副主任肖剛介紹，它主要用于測量粒子“陣雨”中的繆子含量。
土層用來屏蔽次級粒子中的電磁成分，土堆下是一個直徑6.8米、高1.2米的混凝土罐體。罐體中放置了裝有超純水的高反射率水袋，當(dāng)繆子進入水體，在水中產(chǎn)生切倫科夫光，水袋頂部中心的光電倍增管，將接收的光信號放大，再轉(zhuǎn)化為電信號進行測量。
繆子探測器處于十分復(fù)雜的地形地貌之中，其設(shè)計施工也面臨挑戰(zhàn)。部分探測器處于沼澤區(qū)域，它們在雨季長期處于水線以下，極容易滲水。海子山最大晝夜溫差達到30多攝氏度，而罐體內(nèi)的溫差年變化不能超過5攝氏度；內(nèi)部放置的水袋，經(jīng)過長途運輸、壓差變化、吊裝鋪設(shè)，也面臨著防滲漏的難題。
繆子探測器陣列主體工程自2018年開始建設(shè)以來，設(shè)計、施工單位在諸多細節(jié)上進行了針對性的技術(shù)攻關(guān)，成功完成主體建設(shè)。目前，已投用的1077個探測器無一滲漏。
隨著主體工程的完成，剩余的111個繆子探測器的超純水灌注以及探測器調(diào)試等工作將在今年春季完成。屆時，整個繆子探測器陣列將全部投入運行。
從“天外來客”探知宇宙奧秘
宇宙線是來自宇宙空間的高能粒子。盛祥東告訴記者，由于大氣層的保護，高能粒子的能量在穿過大氣層的過程中，大部分都被吸收了，人體感知不到“天外來客”的造訪。
但這些“沉默不語”的“客人”，又非常重要。作為來自外太空的唯一物質(zhì)樣品，宇宙線攜帶著其產(chǎn)生地“源”天體及其經(jīng)過空間的宇觀環(huán)境，乃至天體演化及宇宙早期的奧秘，因此被科學(xué)家認為是傳遞“宇宙大事件”的信使和發(fā)現(xiàn)“宇宙加速器”的探針。
人類研究宇宙線高能粒子的歷史已超百年，相關(guān)研究獲得了5枚諾貝爾獎牌，但它的起源和加速機制等依然未能完全解釋。美國國家科學(xué)技術(shù)委員會將其確定為“新世紀(jì)科學(xué)研究的11個世紀(jì)謎題”之一。
2008年，建設(shè)一個大型高海拔宇宙線觀測站的項目開始了前期預(yù)研。歷時6年，科學(xué)家在我國高海拔地區(qū)進行了廣泛選址和實地踏勘調(diào)研，最終選定了稻城縣海子山平均海拔為4410米的高地作為觀測站站址。
據(jù)悉，觀測站剩下的1187個電磁粒子探測器將于今年7月完工，實現(xiàn)全陣列科學(xué)觀測。
背景
3個世界第一
到2021年建成后，中國高海拔宇宙線觀測站將成為世界范圍內(nèi)的宇宙線研究中心之一，并占有“三個世界第一”。項目硬件總負責(zé)人何會海說，一是在1萬億電子伏特附近的甚高能伽馬射線巡天探測方面，靈敏度世界第一；二是100萬億電子伏特附近的高能伽馬射線探測方面，靈敏度世界第一；三是三類探測器復(fù)合，覆蓋的宇宙線能量測量范圍世界最廣。
探測陣列只需布局到一定大小就可以開始觀測，2018年年底，僅建成四分之一的LHAASO已經(jīng)是世界上最大的同類宇宙線觀測陣列。
3個發(fā)展階段
中國的高山宇宙線實驗室經(jīng)歷了3個發(fā)展階段。60多年來，經(jīng)過三代物理學(xué)家的不懈努力，我國已邁入國際宇宙線研究領(lǐng)域的“第一梯隊”。
上世紀(jì)50年代建立的云南落雪山宇宙線實驗站，是中國第一個高山宇宙線實驗室，先后安裝了多板云室、磁云霧室和大云室組，為我國粒子物理研究奠定基礎(chǔ)。
1987年，高能所開始在西藏羊八井建設(shè)國際宇宙線觀測站，此中建設(shè)的中日合作廣延大氣簇射陣列（ASγ）和中意合作全覆蓋探測陣列（ARGO-YBJ），是國際四大超高能γ天文和超高能宇宙線研究陣列之一。
第三代高山宇宙線實驗室，就是目前在建的高海拔宇宙線觀測站——“拉索（LHAASO）”。
科普
一把“鑰匙”打開兩個世界
宇宙線又稱宇宙射線，是來自宇宙的高能粒子流的總稱，其成分包括質(zhì)子和各種原子核，還有少量的光子、中微子、電子等。在靠近地球的太空中，每分鐘約有一個宇宙線穿過一枚硬幣大小的面積，人類對這些肉眼看不見的“天外來客”渾然不覺。
1912年，奧地利物理學(xué)家赫斯發(fā)現(xiàn)了宇宙線的存在。這些來自深空的粒子攜帶著比可見光光子高幾百萬倍的能量，為科學(xué)家們送來打開微觀世界的“鑰匙”。
1932年, 美國物理學(xué)家安德森在宇宙線徑跡中首次發(fā)現(xiàn)了反物質(zhì)——帶正電荷的電子。此后，粒子物理學(xué)問世，并由此產(chǎn)生了多枚諾貝爾獎牌。
宇宙線的精妙之處，還在于它如同一座橋梁，聯(lián)系著微觀世界與浩渺宇宙。
“宇宙線的粒子傳播到地球，包含著許多信息。人類研究這些‘信號’，進而對物質(zhì)的性質(zhì)展開推斷?！备吆０斡钪婢€觀測站項目首席科學(xué)家、中國科學(xué)院高能物理研究所研究員曹臻說。
疑問
“天外來客”的出生地在哪里？
宇宙線是組成物質(zhì)本身的粒子直接傳播到地球，包含著許多電磁波無法傳遞的信息，被形象地稱為“宇宙隕石”。1912年被發(fā)現(xiàn)，但迄今為止人類仍未發(fā)現(xiàn)其起源。
南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院教授王祥玉介紹，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，超新星遺跡、星暴星系、銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞等，都具有產(chǎn)生宇宙線的條件，但究竟哪一個是其“出生地”還不得而知。
上海天文臺研究員王仲翔一直在研究銀河系內(nèi)的宇宙線。他舉例說，宇宙線是穿越歷史的“信使”。公元1006年宋朝期間，曾有一顆超新星閃耀天空，亮度最強時白天可見；1000多年后，科學(xué)家們?nèi)栽谘芯窟@顆超新星遺跡中快速移動的粒子會不會是宇宙線的前身，解答“來自宋朝的問候”。
科學(xué)家們介紹，人類已經(jīng)有辦法加速粒子，然而宇宙線粒子的最高能量，相當(dāng)于人類用加速器產(chǎn)生的最高能量粒子的10億倍。高海拔宇宙線觀測站項目首席科學(xué)家、中國科學(xué)院高能物理研究所研究員曹臻說，利用目前的加速能量，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了描述世界物質(zhì)構(gòu)成的“標(biāo)準(zhǔn)模型”中所有的基本粒子，包括新近發(fā)現(xiàn)的“上帝粒子”。如果想看到更多的物理現(xiàn)象，就必須依賴更高的加速辦法。探索高能宇宙線的起源是一個可能獲得突破的方向。
觀測宇宙線的“十八般兵器”有哪些？
曾有人形象地比喻：每過一分鐘，才約有一個宇宙線穿過一枚硬幣大小的面積，這一肉眼看不見的“天外來客”，如何精準(zhǔn)捕捉？曹臻說，可以“下海”，在水底安裝中微子望遠鏡；可以“上山”，在高海拔搭建觀測站；也可以“上天”，用粒子探測衛(wèi)星尋找。
“宇宙線的研究非常困難。宇宙線是帶電粒子，碰到宇宙中無處不在的磁場就會偏轉(zhuǎn)?？茖W(xué)家盡量選擇光子和中微子作為研究對象，作為宇宙射線的伴生物，這兩種粒子是沿直線傳播的，比較易于用來回溯到產(chǎn)生地?！蓖跸橛裾f。
俄羅斯高能天體物理學(xué)家詹·阿里是超高能中微子實驗“G噸體積探測器”項目的負責(zé)人。他所采用的方法，是通過置放于貝加爾湖下1300米的多個探測器，接收宇宙線中微子信號。
詹·阿里介紹，冬天貝加爾湖的冰層在60-90厘米厚，有時能達120厘米?？茖W(xué)家駕車在冰層上打洞，用錨鏈將探測器墜到湖里，布置在750米至1300米深處；探測到的信號會通過電纜傳到位于水下30米左右的匯集器，再經(jīng)過湖底電纜傳輸?shù)?公里遠的岸邊數(shù)據(jù)中心。
美國高能天體物理學(xué)家韋恩·施普林格則是將300大桶左右的水置放在北美第三高山海拔4100米的山坡上，形成高海拔水基切倫科夫伽馬射線天文臺，每24小時能看到2/3的天空?！?0萬年前，名為‘Geminga’的中子星爆炸后形成了脈沖星，其粒子流還在來訪?！?/p>
日本東京大學(xué)教授政廣手嶋是在位于海拔2200米的西班牙拉帕爾瑪島，利用兩架名為“魔術(shù)”的切倫科夫望遠鏡觀測，目前可以觀測200多個高能伽馬射線源。
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