四川日報 2021年01月05日
最后一個(gè)繆子探測器的建成，標志著(zhù)高海拔宇宙線(xiàn)觀(guān)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
科研人員在監測從繆子探測器陣列中獲得的數據。新華社記者 金立旺 攝
俯瞰在建的高海拔宇宙線(xiàn)觀(guān)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(lái)客”的神器
助力于破解“新世紀科學(xué)研究的世紀謎題”
是我國“十二五”期間啟動(dòng)的國家重大科技基礎設施項目
它就是高海拔宇宙線(xiàn)觀(guān)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(guò)兩年半的建設，高海拔宇宙線(xiàn)觀(guān)測站（LHAASO）項目迎來(lái)兩個(gè)重大節點(diǎn)。
其一，觀(guān)測站最后一個(gè)繆子探測器建成投用，標志著(zhù)觀(guān)測站的繆子探測器陣列主體工程完工。
其二，觀(guān)測站四分之三規模的陣列正式“上崗”，包括917個(gè)繆子探測器與4008個(gè)電磁粒子探測器，標志著(zhù)我國已建成世界上高能伽馬探測靈敏度最高的觀(guān)測站。
這些神秘的探測器是怎么運行的？近日，記者走進(jìn)稻城高海拔宇宙線(xiàn)觀(guān)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(xué)領(lǐng)域首個(gè)國家重大科技基礎設施項目——東半球空間環(huán)境地基綜合監測子午鏈（簡(jiǎn)稱(chēng)“子午工程”）的二期稻城項目的情況。今天，我們再次帶你走進(jìn)同在稻城的另一個(gè)國家重大科技基礎設施項目——高海拔宇宙線(xiàn)觀(guān)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(xiàn)觀(guān)測站就像一枚銅錢(qián)，放置在群山之間，科學(xué)家們戲稱(chēng)它為“孔方兄”。
項目2017年開(kāi)始建設，建設周期為4年，所以現在“銅錢(qián)”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(guān)測站共有4種探測器陣列，其中包括5195個(gè)電磁粒子探測器、1188個(gè)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)”，用復合、精確的測量手段，“捕捉”從外太空進(jìn)入地球大氣層的“天外來(lái)客”，對它們進(jìn)行全息式的“體測”，測量它們的能量、種類(lèi)、幾何信息等指標。
這些“天外來(lái)客”就是宇宙線(xiàn)粒子。為什么科學(xué)家們要在高海拔地區建設探測器？這要從“天外來(lái)客”進(jìn)入大氣層后的變化說(shuō)起。據盛祥東介紹，宇宙線(xiàn)粒子進(jìn)入大氣層后，會(huì )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，最終次級粒子數可達百億個(gè)，在空氣中像一場(chǎng)粒子“陣雨”，瞬間散布在數平方公里的面積上。
而粒子“陣雨”在抵達地面的過(guò)程中，會(huì )被大氣層“吞噬”一部分。因此，在高海拔地區布局探測器，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(guò)閃爍體、水、大氣等轉換介質(zhì)，將粒子“陣雨”在介質(zhì)中沉積的能量轉化成光子，再經(jīng)光電倍增管接收放大后，通過(guò)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(xiàn)與大氣的相互作用，反推原初粒子的性質(zhì)，開(kāi)展相關(guān)物理研究。
土堆下的繆子探測器
行走在觀(guān)測基地，一個(gè)個(gè)36平方米大小的“土堆”就是繆子探測器。在整個(gè)基地中，這樣的探測器有1188個(gè)。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(lái)屏蔽次級粒子中的電磁成分，土堆下是一個(gè)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(jìn)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，再轉化為電信號進(jìn)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。部分探測器處于沼澤區域，它們在雨季長(cháng)期處于水線(xiàn)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(guò)5攝氏度；內部放置的水袋，經(jīng)過(guò)長(cháng)途運輸、壓差變化、吊裝鋪設，也面臨著(zhù)防滲漏的難題。
繆子探測器陣列主體工程自2018年開(kāi)始建設以來(lái)，設計、施工單位在諸多細節上進(jìn)行了針對性的技術(shù)攻關(guān)，成功完成主體建設。目前，已投用的1077個(gè)探測器無(wú)一滲漏。
隨著(zhù)主體工程的完成，剩余的111個(gè)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(shí)，整個(gè)繆子探測器陣列將全部投入運行。
從“天外來(lái)客”探知宇宙奧秘
宇宙線(xiàn)是來(lái)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(guò)大氣層的過(guò)程中，大部分都被吸收了，人體感知不到“天外來(lái)客”的造訪(fǎng)。
但這些“沉默不語(yǔ)”的“客人”，又非常重要。作為來(lái)自外太空的唯一物質(zhì)樣品，宇宙線(xiàn)攜帶著(zhù)其產(chǎn)生地“源”天體及其經(jīng)過(guò)空間的宇觀(guān)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“宇宙加速器”的探針。
人類(lèi)研究宇宙線(xiàn)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(huì )將其確定為“新世紀科學(xué)研究的11個(gè)世紀謎題”之一。
2008年，建設一個(gè)大型高海拔宇宙線(xiàn)觀(guān)測站的項目開(kāi)始了前期預研。歷時(shí)6年，科學(xué)家在我國高海拔地區進(jìn)行了廣泛選址和實(shí)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(guān)測站站址。
據悉，觀(guān)測站剩下的1187個(gè)電磁粒子探測器將于今年7月完工，實(shí)現全陣列科學(xué)觀(guān)測。
背景
3個(gè)世界第一
到2021年建成后，中國高海拔宇宙線(xiàn)觀(guān)測站將成為世界范圍內的宇宙線(xiàn)研究中心之一，并占有“三個(gè)世界第一”。項目硬件總負責人何會(huì )海說(shuō)，一是在1萬(wàn)億電子伏特附近的甚高能伽馬射線(xiàn)巡天探測方面，靈敏度世界第一；二是100萬(wàn)億電子伏特附近的高能伽馬射線(xiàn)探測方面，靈敏度世界第一；三是三類(lèi)探測器復合，覆蓋的宇宙線(xiàn)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(kāi)始觀(guān)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(lèi)宇宙線(xiàn)觀(guān)測陣列。
3個(gè)發(fā)展階段
中國的高山宇宙線(xiàn)實(shí)驗室經(jīng)歷了3個(gè)發(fā)展階段。60多年來(lái)，經(jīng)過(guò)三代物理學(xué)家的不懈努力，我國已邁入國際宇宙線(xiàn)研究領(lǐng)域的“第一梯隊”。
上世紀50年代建立的云南落雪山宇宙線(xiàn)實(shí)驗站，是中國第一個(gè)高山宇宙線(xiàn)實(shí)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(kāi)始在西藏羊八井建設國際宇宙線(xiàn)觀(guān)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(xiàn)研究陣列之一。
第三代高山宇宙線(xiàn)實(shí)驗室，就是目前在建的高海拔宇宙線(xiàn)觀(guān)測站——“拉索（LHAASO）”。
科普
一把“鑰匙”打開(kāi)兩個(gè)世界
宇宙線(xiàn)又稱(chēng)宇宙射線(xiàn)，是來(lái)自宇宙的高能粒子流的總稱(chēng)，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(gè)宇宙線(xiàn)穿過(guò)一枚硬幣大小的面積，人類(lèi)對這些肉眼看不見(jiàn)的“天外來(lái)客”渾然不覺(jué)。
1912年，奧地利物理學(xué)家赫斯發(fā)現了宇宙線(xiàn)的存在。這些來(lái)自深空的粒子攜帶著(zhù)比可見(jiàn)光光子高幾百萬(wàn)倍的能量，為科學(xué)家們送來(lái)打開(kāi)微觀(guān)世界的“鑰匙”。
1932年, 美國物理學(xué)家安德森在宇宙線(xiàn)徑跡中首次發(fā)現了反物質(zhì)——帶正電荷的電子。此后，粒子物理學(xué)問(wèn)世，并由此產(chǎn)生了多枚諾貝爾獎牌。
宇宙線(xiàn)的精妙之處，還在于它如同一座橋梁，聯(lián)系著(zhù)微觀(guān)世界與浩渺宇宙。
“宇宙線(xiàn)的粒子傳播到地球，包含著(zhù)許多信息。人類(lèi)研究這些‘信號’，進(jìn)而對物質(zhì)的性質(zhì)展開(kāi)推斷。”高海拔宇宙線(xiàn)觀(guān)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(shuō)。
疑問(wèn)
“天外來(lái)客”的出生地在哪里？
宇宙線(xiàn)是組成物質(zhì)本身的粒子直接傳播到地球，包含著(zhù)許多電磁波無(wú)法傳遞的信息，被形象地稱(chēng)為“宇宙隕石”。1912年被發(fā)現，但迄今為止人類(lèi)仍未發(fā)現其起源。
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，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(xiàn)的條件，但究竟哪一個(gè)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(xiàn)。他舉例說(shuō)，宇宙線(xiàn)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(shí)白天可見(jiàn)；1000多年后，科學(xué)家們仍在研究這顆超新星遺跡中快速移動(dòng)的粒子會(huì )不會(huì )是宇宙線(xiàn)的前身，解答“來(lái)自宋朝的問(wèn)候”。
科學(xué)家們介紹，人類(lèi)已經(jīng)有辦法加速粒子，然而宇宙線(xiàn)粒子的最高能量，相當于人類(lèi)用加速器產(chǎn)生的最高能量粒子的10億倍。高海拔宇宙線(xiàn)觀(guān)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(shuō)，利用目前的加速能量，我們已經(jīng)發(fā)現了描述世界物質(zhì)構成的“標準模型”中所有的基本粒子，包括新近發(fā)現的“上帝粒子”。如果想看到更多的物理現象，就必須依賴(lài)更高的加速辦法。探索高能宇宙線(xiàn)的起源是一個(gè)可能獲得突破的方向。
觀(guān)測宇宙線(xiàn)的“十八般兵器”有哪些？
曾有人形象地比喻：每過(guò)一分鐘，才約有一個(gè)宇宙線(xiàn)穿過(guò)一枚硬幣大小的面積，這一肉眼看不見(jiàn)的“天外來(lái)客”，如何精準捕捉？曹臻說(shuō)，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(guān)測站；也可以“上天”，用粒子探測衛星尋找。
“宇宙線(xiàn)的研究非常困難。宇宙線(xiàn)是帶電粒子，碰到宇宙中無(wú)處不在的磁場(chǎng)就會(huì )偏轉。科學(xué)家盡量選擇光子和中微子作為研究對象，作為宇宙射線(xiàn)的伴生物，這兩種粒子是沿直線(xiàn)傳播的，比較易于用來(lái)回溯到產(chǎn)生地。”王祥玉說(shuō)。
俄羅斯高能天體物理學(xué)家詹·阿里是超高能中微子實(shí)驗“G噸體積探測器”項目的負責人。他所采用的方法，是通過(guò)置放于貝加爾湖下1300米的多個(gè)探測器，接收宇宙線(xiàn)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(shí)能達120厘米。科學(xué)家駕車(chē)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(huì )通過(guò)電纜傳到位于水下30米左右的匯集器，再經(jīng)過(guò)湖底電纜傳輸到3公里遠的岸邊數據中心。
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(xiàn)天文臺，每24小時(shí)能看到2/3的天空。“30萬(wàn)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(lái)訪(fǎng)。”
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(guān)測，目前可以觀(guān)測200多個(gè)高能伽馬射線(xiàn)源。
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