世界屋脊上的觀天陣列——高海拔宇宙線觀測(cè)站“拉索”看點(diǎn)解析

新華社北京5月10日電 題：世界屋脊上的觀天陣列——高海拔宇宙線觀測(cè)站“拉索”看點(diǎn)解析

新華社記者張泉

四川稻城海子山，海拔4410米處的一大片圓形區(qū)域內(nèi)，數(shù)千個(gè)不同類(lèi)型的探測(cè)器緊密有序排列，形成一個(gè)巨大的觀測(cè)陣列，時(shí)刻捕捉著來(lái)自宇宙深處的信息。

這是以宇宙線觀測(cè)研究為核心目標(biāo)的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——高海拔宇宙線觀測(cè)站“拉索”(LHAASO)。5月10日，“拉索”通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收，將致力于探索宇宙線起源之謎，并通過(guò)觀測(cè)宇宙線探索更多宇宙奧秘。

海拔4410米的觀天陣列

“拉索”占地約1.36平方公里。這個(gè)巨大陣列的中心位置，是由按“品”字排列的三個(gè)大水池組成的水切倫科夫探測(cè)器陣列，面積約78000平方米;周?chē)鷦t緊密排列著5216個(gè)電磁粒子探測(cè)器和1188個(gè)繆子探測(cè)器;此外還有由18臺(tái)廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡組成的望遠(yuǎn)鏡陣列。

“拉索”鳥(niǎo)瞰圖。(中科院高能物理所供圖)

宇宙線是來(lái)自宇宙空間的高能粒子，主要由氫核、氦核、鐵核等多種元素的原子核組成，并包括少量正負(fù)電子，是人類(lèi)目前能從宇宙深處獲得的唯一物質(zhì)樣本，被稱(chēng)為傳遞宇宙大事件的“信使”。

“研究宇宙線及其起源是人類(lèi)探索宇宙的重要途徑?！薄袄鳌笔紫茖W(xué)家、中科院高能物理所研究員曹臻介紹，宇宙線被發(fā)現(xiàn)110多年以來(lái)，相關(guān)探索研究已產(chǎn)生數(shù)枚諾貝爾獎(jiǎng)牌，但依然有眾多謎題待解，宇宙線起源被國(guó)際物理學(xué)界列為“新世紀(jì)11個(gè)科學(xué)問(wèn)題”之一。

據(jù)介紹，觀測(cè)宇宙線，可以“上天”，用粒子探測(cè)衛(wèi)星尋找;可以“下海”，在水底安裝中微子望遠(yuǎn)鏡;也可以“上山”，在高海拔地區(qū)搭建觀測(cè)站。

“在高海拔地區(qū)進(jìn)行地面觀測(cè)，探測(cè)器規(guī)模可遠(yuǎn)大于大氣層外的天基探測(cè)器。尤其在超高能量宇宙線觀測(cè)方面，由于樣本數(shù)量稀少，采用大規(guī)模探測(cè)器是唯一觀測(cè)手段?！辈苷檎f(shuō)。

作為大型復(fù)合探測(cè)陣列，“拉索”是繼云南東川、西藏羊八井高山宇宙線觀測(cè)站之后，我國(guó)建設(shè)的第三代高山宇宙線觀測(cè)站。經(jīng)過(guò)廣泛選址和實(shí)地踏勘調(diào)研，“拉索”項(xiàng)目最終落戶(hù)四川稻城海子山。

“‘拉索’是世界上重要的粒子天體物理支柱性實(shí)驗(yàn)設(shè)施之一，將助力我國(guó)在高能伽馬射線天文領(lǐng)域的研究邁向國(guó)際領(lǐng)先水平?！辈苷檎f(shuō)。

觀測(cè)性能創(chuàng)三項(xiàng)“世界之最”

得益于世界屋脊的高海拔優(yōu)勢(shì)和關(guān)鍵核心技術(shù)的突破，“拉索”創(chuàng)造了三項(xiàng)“世界之最”——超高能伽馬射線探測(cè)靈敏度世界最高，甚高能伽馬射線源巡天普查靈敏度世界最高，超高能宇宙線能量覆蓋范圍世界最寬。

廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡SiPM相機(jī)。(中科院高能物理所供圖)

宇宙線粒子進(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(jí)粒子，次級(jí)粒子則繼續(xù)重復(fù)同樣的過(guò)程，產(chǎn)生新的次級(jí)粒子，如此多次重復(fù)，到達(dá)地面時(shí)就像下了一場(chǎng)粒子“陣雨”。

“拉索”總工藝師、中科院高能物理所研究員何會(huì)海說(shuō)，“拉索”采用四種探測(cè)技術(shù)，可全方位接收粒子“陣雨”的信息，并開(kāi)展多變量精確測(cè)量。

其中，水切倫科夫探測(cè)器陣列用于觀測(cè)粒子“陣雨”中的次級(jí)粒子在水中產(chǎn)生的切倫科夫光，以求發(fā)現(xiàn)大量伽馬射線源;廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列用于測(cè)量粒子“陣雨”的切倫科夫光或熒光;電磁粒子探測(cè)器陣列和繆子探測(cè)器陣列則分別測(cè)量粒子“陣雨”中的次級(jí)電磁粒子和繆子含量。

何會(huì)海介紹，“拉索”項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)突破了廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡不能在月夜工作的瓶頸，使有效觀測(cè)時(shí)間成倍增長(zhǎng);發(fā)展了大面積、多節(jié)點(diǎn)、高精度時(shí)鐘同步技術(shù);把觀測(cè)閾能從3000億電子伏降低到700億電子伏，大大擴(kuò)展了觀測(cè)能力。

向宇宙線起源之謎發(fā)起沖擊

“我們將向著科學(xué)前沿課題——宇宙線起源之謎發(fā)起沖擊!”曹臻滿(mǎn)懷信心。

“拉索”上方的星空。(中科院高能物理所供圖)

據(jù)介紹，基于超高的探測(cè)靈敏度，“拉索”在初步運(yùn)行期間已取得多項(xiàng)突破性科學(xué)成果，包括：在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)大量超高能宇宙加速器候選天體，記錄到人類(lèi)觀測(cè)到的最高能量光子，精確測(cè)定了標(biāo)準(zhǔn)燭光蟹狀星云的超高能段亮度，發(fā)現(xiàn)1千萬(wàn)億電子伏伽馬輻射等。

“拉索”面向國(guó)內(nèi)外全面開(kāi)放共享，目前已有28個(gè)天體物理研究機(jī)構(gòu)成為“拉索”的國(guó)際合作組成員單位。合作組利用“拉索”觀測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)展粒子天體物理研究，同時(shí)進(jìn)行宇宙學(xué)、天文學(xué)等眾多領(lǐng)域基礎(chǔ)研究。

截至目前，基于“拉索”項(xiàng)目發(fā)表的期刊論文超過(guò)200篇，會(huì)議論文超過(guò)150篇。

“‘拉索’將成為以中國(guó)為主、多國(guó)參與的國(guó)際宇宙線研究中心，借助高海拔伽馬天文、宇宙線的觀測(cè)優(yōu)勢(shì)，成為獨(dú)具特色、綜合開(kāi)放的科學(xué)研究平臺(tái)。”曹臻說(shuō)。