高海拔宇宙線觀測站整體布局效果圖

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家關注的目光。近日，國家重大科技基礎設施高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）在四川稻城開始地方配套項目建設?！癓HAASO建成后每天將能觀測到50億個宇宙線事件?！?月11日，中科院高能物理研究所研究員、高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）項目首席科學家曹臻告訴科技日報記者，憑借探測靈敏度和能譜測量范圍方面的優(yōu)勢，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。

“世紀謎題”百年未解

宇宙線是來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”。這是因為宇宙線粒子不同于光輻射，它們本身就是組成宇宙天體的物質成分，并攜帶著宇宙空間環(huán)境信息來到地球。科學家相信，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，會將天體內物質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€粒子和阿波羅號從月球帶回的土壤樣本類似，它的各種成分與太陽系相同，是獲取太陽系外物質樣本的唯一渠道?！辈苷檎f，400多年前，伽利略將望遠鏡指向星空，為現(xiàn)代天文學打開了光學觀測遙遠天體的窗口。高能宇宙線打開了天文學發(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構成以及它們所經歷的物理過程。

自1912年奧地利科學家赫斯發(fā)現(xiàn)宇宙線以來，100多年來科學家因宇宙線研究先后6次獲諾貝爾獎。然而，人類對它的興趣從未消減?！坝钪婢€來自哪里，它們是如何被加速到如此之高的能量，一直是困擾科學家的問題?！辈苷檎f，高能宇宙粒子的能量遠遠超過人工加速器所能獲得的最高能量?！氨本┱撾娮訉ψ矙C的束流能量剛剛達到我們關心的高能伽瑪射線的能量起點。而歐洲大型強子對撞機作為目前世界上最大、能量最高的粒子加速器，它的質心總能量也只是已發(fā)現(xiàn)宇宙線粒子最高能量的萬分之一。”

2004年，美國國家科學技術委員會研究確定了新世紀科學研究的11個“世紀謎題”，宇宙線起源及其加速機制名列其中。

三大陣列溯源“信使”來路

尋找宇宙線加速機制，首先要確定宇宙線的源天體。然而，這并非易事。

曹臻介紹說，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)量就會下降1000倍，最終能到達地球的高能宇宙線粒子少之又少?！坝商綔y器組成的占地1平方公里的探測器陣列，大約100年也只能看到1次最高能量的宇宙線事件?！?/p>

而要根據獲得的宇宙線粒子確定它們來自何方更是不易。“宇宙線粒子多為帶電粒子，會在傳播過程中被宇宙中無處不在的磁場所偏轉，根據粒子最后被記錄到的運動方向無法判斷它源自何方?！?/p>

好在，宇宙線中的伽瑪射線留給了科學家一線希望。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影響，因此伽瑪射線在宇宙空間沿直線傳播。進入地球大氣后，高能伽瑪粒子會與大氣中的原子核發(fā)生碰撞，形成一系列新粒子。它們如同一場粒子雨，紛紛落到地面。伽瑪射線引發(fā)的粒子雨正是LHAASO的探測對象之一。

曹臻向記者介紹，LHAASO探測陣列由水切倫科夫探測器陣列、地面簇射粒子陣列、廣角切倫科夫望遠鏡陣列三部分組成，分別對紛紛落下的粒子進行探測?！八袀惪品蛱綔y器陣列是一個深4.5米、占地8萬平方米的水池，水底布滿3000路探測單元，專門用來探測能量較低的宇宙線。占地一平方公里的地面簇射粒子陣列包括地面約5200個閃爍體探測器和埋在地下2.5米的約1200個繆子探測器，主要用于探測能量稍高的宇宙線?！辈苷榻忉屨f，之所以將探測器放在水底、地下，目的是通過測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，而通過進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設計的獨特之處。目前科學家已經發(fā)現(xiàn)近200個高能伽瑪射線源，但它們只能稱為宇宙線源候選體，因為除宇宙線外，其他粒子比如電子也會產生伽瑪射線。”曹臻說，對于被確定為宇宙線源的候選天體，LHAASO將進行高精度光譜觀測，嘗試探尋“宇宙線加速器”的奧秘。除此之外，12架切倫科夫望遠鏡組成的陣列將開展宇宙線能譜的高精度測量。三大陣列互相配合，對于宇宙線特征、起源等進行精密分析和研究，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。

“宇宙線研究在我國已有半個多世紀的歷史?！辈苷榻榻B說，建設于1956年的云南落雪山宇宙線站利用云室探測宇宙線，開啟了我國在這一領域的研究。西藏羊八井的國際宇宙線觀測站經過20年建設，已成為重要的宇宙線觀測窗口。去年發(fā)射升空的暗物質衛(wèi)星“悟空”，也載有高能宇宙線粒子的探測裝置?！拔覈茖W家長期奮戰(zhàn)在海拔四千米以上的雪域高原，形成了我國宇宙線研究的獨特優(yōu)勢?！辈苷檎f。

按照計劃，LHAASO將于2020年建設完成，與世界其他3個同水平宇宙線觀測站優(yōu)勢互補，向宇宙線起源這一世紀之謎發(fā)起沖擊?！拔挥诎⒏⒌钠ぐ枈W格專注于極高能宇宙線探測，南極冰立方（ICE-CUBE）探測器專注于中微子探測，LHAASO的主要競爭對手是建設中的歐洲切倫科夫望遠鏡陣列CTA?！?曹臻說。利用分別位于南北半球的100多架望遠鏡，CTA將探測來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，但曹臻認為，憑借最高的高能伽瑪射線探測靈敏度、最靈敏的甚高能伽瑪射線巡天探測、最寬廣的宇宙線能量探測范圍，以及辨別宇宙線粒子類別的獨特設計，LHAASO項目將在未來競爭中保持獨特優(yōu)勢。

“近年來，科學家先后發(fā)現(xiàn)甚高能伽瑪射線源近200個，在《自然》和《科學》雜志發(fā)表相關論文16篇，伽瑪射線天文正在成為國際研究熱點。”曹臻說，“學術界認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?！?/p>

LHAASO創(chuàng)三大世界之最

國家重大科技基礎設施高海拔宇宙線觀測站（LHAASO），這道在海拔4400米以上拉起的恢恢天網，將成為全球覆蓋能量范圍最大的宇宙線探測設備，隨時等待捕捉掉落地球的新秘密。

曹臻向記者介紹，LHAASO觀測站總占地面積約2000畝，站區(qū)包括探測器陣列及綜合科技中心等附屬建筑。LHAASO探測陣列由3個部分組成。首先是一個深5米、占地8萬平方米的水池，這個完全密封、一片漆黑、面積有兩個半北京水立方大小的水池，布滿3000個左右的測量單元，能夠收集到非常遙遠的星體，比如3億光年外黑洞爆發(fā)時產生的伽瑪光子，它專門用來探測能量較低的宇宙線；第二部分是一個約一平方公里的復合地面陣列，約5200個閃爍體探測器按邊長15米的正三角形點陣來排布，同時在2.5米的地下每隔30米布設約1200個繆子探測器，用于探測能量稍高的宇宙線；第三類裝置由12個望遠鏡系統(tǒng)組成，用于宇宙線能譜高精度測量。這三類探測器彼此聯(lián)動，組成巨大的復合探測裝置。

“LHAASO項目集合了三個世界之最?！辈苷檎f，一是在1萬億電子伏特附近的甚高能伽瑪射線巡天探測方面，靈敏度世界第一；二是100萬億電子伏特附近的高能段伽瑪射線探測方面，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。