四川日報 2021年01月05日
最后一個繆子探測器的建成，標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。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“新世紀科學研究的世紀謎題”
是我國“十二五”期間啟動的國家重大科技基礎設施項目
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，經過兩年半的建設，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“天氣預報站”》的報道，為你介紹了中國空間天氣科學領域首個國家重大科技基礎設施項目——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設施項目——高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）……
高原“天網”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，科學家們戲稱它為“孔方兄”。
項目2017年開始建設，建設周期為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”，用復合、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。
這些“天外來客”就是宇宙線粒子。為什么科學家們要在高海拔地區(qū)建設探測器？這要從“天外來客”進入大氣層后的變化說起。據盛祥東介紹，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生新的次級粒子……如此重復，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、大氣等轉換介質，將粒子“陣雨”在介質中沉積的能量轉化成光子，再經光電倍增管接收放大后，通過光電轉化，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，開展相關物理研究。
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，當繆子進入水體，在水中產生切倫科夫光，水袋頂部中心的光電倍增管，將接收的光信號放大，再轉化為電信號進行測量。
繆子探測器處于十分復雜的地形地貌之中，其設計施工也面臨挑戰(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，而罐體內的溫差年變化不能超過5攝氏度；內部放置的水袋，經過長途運輸、壓差變化、吊裝鋪設，也面臨著防滲漏的難題。
繆子探測器陣列主體工程自2018年開始建設以來，設計、施工單位在諸多細節(jié)上進行了針對性的技術攻關，成功完成主體建設。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樣品，宇宙線攜帶著其產生地“源”天體及其經過空間的宇觀環(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。美國國家科學技術委員會將其確定為“新世紀科學研究的11個世紀謎題”之一。
2008年，建設一個大型高海拔宇宙線觀測站的項目開始了前期預研。歷時6年，科學家在我國高海拔地區(qū)進行了廣泛選址和實地踏勘調研，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歷了3個發(fā)展階段。60多年來，經過三代物理學家的不懈努力，我國已邁入國際宇宙線研究領域的“第一梯隊”。
上世紀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。
1987年，高能所開始在西藏羊八井建設國際宇宙線觀測站，此中建設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，為科學家們送來打開微觀世界的“鑰匙”。
1932年, 美國物理學家安德森在宇宙線徑跡中首次發(fā)現(xiàn)了反物質——帶正電荷的電子。此后，粒子物理學問世，并由此產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’，進而對物質的性質展開推斷。”高海拔宇宙線觀測站項目首席科學家、中國科學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。
南京大學天文與空間科學學院教授王祥玉介紹，科學家已經發(fā)現(xiàn)，超新星遺跡、星暴星系、銀河系中心的超大質量黑洞等，都具有產生宇宙線的條件，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，科學家們仍在研究這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”。
科學家們介紹，人類已經有辦法加速粒子，然而宇宙線粒子的最高能量，相當于人類用加速器產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家、中國科學院高能物理研究所研究員曹臻說，利用目前的加速能量，我們已經發(fā)現(xiàn)了描述世界物質構成的“標準模型”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”，如何精準捕捉？曹臻說，可以“下?！保谒装惭b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。科學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生地。”王祥玉說。
俄羅斯高能天體物理學家詹·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，再經過湖底電纜傳輸?shù)?公里遠的岸邊數(shù)據中心。
美國高能天體物理學家韋恩·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”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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