高海拔宇宙線觀測(cè)站整體布局效果圖
被稱作宇宙大事件的“隕石”，攜帶著宇宙起源、天體演化的寶貴信息，宇宙線一直吸引著科學(xué)家關(guān)注的目光。近日，國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施高海拔宇宙線觀測(cè)站（LHAASO）在四川稻城開始地方配套項(xiàng)目建設(shè)?！癓HAASO建成后每天將能觀測(cè)到50億個(gè)宇宙線事件?！?月11日，中科院高能物理研究所研究員、高海拔宇宙線觀測(cè)站（LHAASO）項(xiàng)目首席科學(xué)家曹臻告訴科技日?qǐng)?bào)記者，憑借探測(cè)靈敏度和能譜測(cè)量范圍方面的優(yōu)勢(shì)，2020年LHAASO建成后將躋身世界四大宇宙線研究中心，有望揭開宇宙線起源的神秘面紗。
“世紀(jì)謎題”百年未解
宇宙線是來(lái)自宇宙空間的高能粒子流，由各種原子核以及非常少量的電子、光子和中微子等組成。它們又被稱作“銀河隕石”、傳遞宇宙大事件的“信使”。這是因?yàn)橛钪婢€粒子不同于光輻射，它們本身就是組成宇宙天體的物質(zhì)成分，并攜帶著宇宙空間環(huán)境信息來(lái)到地球。科學(xué)家相信，巨大星系中心的超大規(guī)模黑洞爆發(fā)、巨大星系之間的碰撞等劇烈天體物理現(xiàn)象，會(huì)將天體內(nèi)物質(zhì)粒子加速并向外噴射，這便是宇宙線可能的源頭之一?！坝钪婢€粒子和阿波羅號(hào)從月球帶回的土壤樣本類似，它的各種成分與太陽(yáng)系相同，是獲取太陽(yáng)系外物質(zhì)樣本的唯一渠道?！辈苷檎f(shuō)，400多年前，伽利略將望遠(yuǎn)鏡指向星空，為現(xiàn)代天文學(xué)打開了光學(xué)觀測(cè)遙遠(yuǎn)天體的窗口。高能宇宙線打開了天文學(xué)發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象的新窗口，人類可以從宇宙線粒子去研究天體的物質(zhì)構(gòu)成以及它們所經(jīng)歷的物理過(guò)程。
自1912年奧地利科學(xué)家赫斯發(fā)現(xiàn)宇宙線以來(lái)，100多年來(lái)科學(xué)家因宇宙線研究先后6次獲諾貝爾獎(jiǎng)。然而，人類對(duì)它的興趣從未消減?！坝钪婢€來(lái)自哪里，它們是如何被加速到如此之高的能量，一直是困擾科學(xué)家的問(wèn)題?！辈苷檎f(shuō)，高能宇宙粒子的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)人工加速器所能獲得的最高能量?！氨本┱?fù)電子對(duì)撞機(jī)的束流能量剛剛達(dá)到我們關(guān)心的高能伽瑪射線的能量起點(diǎn)。而歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)作為目前世界上最大、能量最高的粒子加速器，它的質(zhì)心總能量也只是已發(fā)現(xiàn)宇宙線粒子最高能量的萬(wàn)分之一。”
2004年，美國(guó)國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)研究確定了新世紀(jì)科學(xué)研究的11個(gè)“世紀(jì)謎題”，宇宙線起源及其加速機(jī)制名列其中。
三大陣列溯源“信使”來(lái)路
尋找宇宙線加速機(jī)制，首先要確定宇宙線的源天體。然而，這并非易事。
曹臻介紹說(shuō)，高能粒子的數(shù)量隨著能量的上升急劇下降，粒子能量每上升10倍，粒子數(shù)量就會(huì)下降1000倍，最終能到達(dá)地球的高能宇宙線粒子少之又少?！坝商綔y(cè)器組成的占地1平方公里的探測(cè)器陣列，大約100年也只能看到1次最高能量的宇宙線事件?！?/p>
而要根據(jù)獲得的宇宙線粒子確定它們來(lái)自何方更是不易?！坝钪婢€粒子多為帶電粒子，會(huì)在傳播過(guò)程中被宇宙中無(wú)處不在的磁場(chǎng)所偏轉(zhuǎn)，根據(jù)粒子最后被記錄到的運(yùn)動(dòng)方向無(wú)法判斷它源自何方。”
好在，宇宙線中的伽瑪射線留給了科學(xué)家一線希望。伽瑪射線是由高能光子組成的粒子流，由于光子的傳播不受磁場(chǎng)影響，因此伽瑪射線在宇宙空間沿直線傳播。進(jìn)入地球大氣后，高能伽瑪粒子會(huì)與大氣中的原子核發(fā)生碰撞，形成一系列新粒子。它們?nèi)缤粓?chǎng)粒子雨，紛紛落到地面。伽瑪射線引發(fā)的粒子雨正是LHAASO的探測(cè)對(duì)象之一。
曹臻向記者介紹，LHAASO探測(cè)陣列由水切倫科夫探測(cè)器陣列、地面簇射粒子陣列、廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列三部分組成，分別對(duì)紛紛落下的粒子進(jìn)行探測(cè)?！八袀惪品蛱綔y(cè)器陣列是一個(gè)深4.5米、占地8萬(wàn)平方米的水池，水底布滿3000路探測(cè)單元，專門用來(lái)探測(cè)能量較低的宇宙線。占地一平方公里的地面簇射粒子陣列包括地面約5200個(gè)閃爍體探測(cè)器和埋在地下2.5米的約1200個(gè)繆子探測(cè)器，主要用于探測(cè)能量稍高的宇宙線?！辈苷榻忉屨f(shuō)，之所以將探測(cè)器放在水底、地下，目的是通過(guò)測(cè)量粒子雨中的繆子成分，用于區(qū)分LHAASO接收到的是普通宇宙線粒子還是伽瑪射線粒子信號(hào)，而通過(guò)進(jìn)一步分析伽瑪射線粒子的能譜，能夠區(qū)分這些粒子的起源?！斑@是LHAASO設(shè)計(jì)的獨(dú)特之處。目前科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)近200個(gè)高能伽瑪射線源，但它們只能稱為宇宙線源候選體，因?yàn)槌钪婢€外，其他粒子比如電子也會(huì)產(chǎn)生伽瑪射線?！辈苷檎f(shuō)，對(duì)于被確定為宇宙線源的候選天體，LHAASO將進(jìn)行高精度光譜觀測(cè)，嘗試探尋“宇宙線加速器”的奧秘。除此之外，12架切倫科夫望遠(yuǎn)鏡組成的陣列將開展宇宙線能譜的高精度測(cè)量。三大陣列互相配合，對(duì)于宇宙線特征、起源等進(jìn)行精密分析和研究，最終有望破解宇宙線起源難題。
探索征途不孤單
在探尋宇宙線起源的征途上，LHAASO并不孤單。
“宇宙線研究在我國(guó)已有半個(gè)多世紀(jì)的歷史?！辈苷榻榻B說(shuō)，建設(shè)于1956年的云南落雪山宇宙線站利用云室探測(cè)宇宙線，開啟了我國(guó)在這一領(lǐng)域的研究。西藏羊八井的國(guó)際宇宙線觀測(cè)站經(jīng)過(guò)20年建設(shè)，已成為重要的宇宙線觀測(cè)窗口。去年發(fā)射升空的暗物質(zhì)衛(wèi)星“悟空”，也載有高能宇宙線粒子的探測(cè)裝置。“我國(guó)科學(xué)家長(zhǎng)期奮戰(zhàn)在海拔四千米以上的雪域高原，形成了我國(guó)宇宙線研究的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)?！辈苷檎f(shuō)。
按照計(jì)劃，LHAASO將于2020年建設(shè)完成，與世界其他3個(gè)同水平宇宙線觀測(cè)站優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，向宇宙線起源這一世紀(jì)之謎發(fā)起沖擊?！拔挥诎⒏⒌钠ぐ枈W格專注于極高能宇宙線探測(cè)，南極冰立方（ICE-CUBE）探測(cè)器專注于中微子探測(cè)，LHAASO的主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手是建設(shè)中的歐洲切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列CTA。” 曹臻說(shuō)。利用分別位于南北半球的100多架望遠(yuǎn)鏡，CTA將探測(cè)來(lái)自特定天體的甚高能伽馬射線。雖然LHAASO和CTA工作的能量范圍相似，但曹臻認(rèn)為，憑借最高的高能伽瑪射線探測(cè)靈敏度、最靈敏的甚高能伽瑪射線巡天探測(cè)、最寬廣的宇宙線能量探測(cè)范圍，以及辨別宇宙線粒子類別的獨(dú)特設(shè)計(jì)，LHAASO項(xiàng)目將在未來(lái)競(jìng)爭(zhēng)中保持獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
“近年來(lái)，科學(xué)家先后發(fā)現(xiàn)甚高能伽瑪射線源近200個(gè)，在《自然》和《科學(xué)》雜志發(fā)表相關(guān)論文16篇，伽瑪射線天文正在成為國(guó)際研究熱點(diǎn)?！辈苷檎f(shuō)，“學(xué)術(shù)界認(rèn)為宇宙線研究突破在即，LHAASO正是誕生于這樣的背景，也希望為此做出貢獻(xiàn)?！?/p>
LHAASO創(chuàng)三大世界之最
國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施高海拔宇宙線觀測(cè)站（LHAASO），這道在海拔4400米以上拉起的恢恢天網(wǎng)，將成為全球覆蓋能量范圍最大的宇宙線探測(cè)設(shè)備，隨時(shí)等待捕捉掉落地球的新秘密。
曹臻向記者介紹，LHAASO觀測(cè)站總占地面積約2000畝，站區(qū)包括探測(cè)器陣列及綜合科技中心等附屬建筑。LHAASO探測(cè)陣列由3個(gè)部分組成。首先是一個(gè)深5米、占地8萬(wàn)平方米的水池，這個(gè)完全密封、一片漆黑、面積有兩個(gè)半北京水立方大小的水池，布滿3000個(gè)左右的測(cè)量單元，能夠收集到非常遙遠(yuǎn)的星體，比如3億光年外黑洞爆發(fā)時(shí)產(chǎn)生的伽瑪光子，它專門用來(lái)探測(cè)能量較低的宇宙線；第二部分是一個(gè)約一平方公里的復(fù)合地面陣列，約5200個(gè)閃爍體探測(cè)器按邊長(zhǎng)15米的正三角形點(diǎn)陣來(lái)排布，同時(shí)在2.5米的地下每隔30米布設(shè)約1200個(gè)繆子探測(cè)器，用于探測(cè)能量稍高的宇宙線；第三類裝置由12個(gè)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)組成，用于宇宙線能譜高精度測(cè)量。這三類探測(cè)器彼此聯(lián)動(dòng)，組成巨大的復(fù)合探測(cè)裝置。
“LHAASO項(xiàng)目集合了三個(gè)世界之最。”曹臻說(shuō)，一是在1萬(wàn)億電子伏特附近的甚高能伽瑪射線巡天探測(cè)方面，靈敏度世界第一；二是100萬(wàn)億電子伏特附近的高能段伽瑪射線探測(cè)方面，靈敏度世界第一；三是三類探測(cè)器復(fù)合，覆蓋的宇宙線能量測(cè)量范圍世界最廣。
