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冲击百年谜题!我国高海拔宇宙线观测站将开工

来源:人民日报    作者:    发布时间:2017-07-21 10:35    编辑:朱月琴

  原标题:冲击,向着百年谜题

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  ——编者

  四川稻城县海子山,平均海拔4410米。区内布满了大大小小的花岗岩漂砾及形态各异的冰蚀岩盆,蛮荒而苍凉。然而,这里却被科学家认定为世界上少有的宇宙线观测理想站址。

  2014年8月,国家重大科技基础设施项目——高海拔宇宙线观测站(LHAASO)最终决定落户于此。经过几年的基建准备工作,近日,LHAASO项目主体工程将全面开工建设。

   研究宇宙线及其起源,是人类探索宇宙的重要途径

  宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子,主要由质子和多种元素的原子核组成,并包括少量电子和光子、中微子,时刻存在于我们的星球之上。

  LHAASO项目首席科学家、项目经理、中国科学院高能物理研究所研究员曹臻说:“宇宙线又被称作‘银河陨石’,或传递宇宙大事件的‘信使’。它们本身就是组成宇宙天体的物质成分,并携带着宇宙起源、天体演化、太阳活动及地球空间环境等重要科学信息。因此,研究宇宙线及其起源是人类探索宇宙的重要途径。”

  1912年,奥地利科学家赫斯首次发现宇宙线。此后的100年间,与之相关的探索与研究已经产生了6枚诺贝尔奖牌,但人类却始终没有发现宇宙线的起源。

  “宇宙线来自哪里,它们是如何被加速到如此之高的能量,一直是困扰科学家的问题。”曹臻说。

  2004年,美国国家科学技术委员会研究确定了新世纪科学研究的11个世纪谜题,宇宙线起源及其加速机制名列其中。宇宙线来自哪里为何这么难以判断?

  一方面,捕捉高能宇宙线就极其不易。高能宇宙线的能量跨度从109到1020电子伏特,能量高的宇宙线应该来自于剧烈的天体活动所伴随的粒子加速过程。但是,能量越高的宇宙线也越稀少。“这是因为高能粒子的数量随着能量的上升急剧下降,粒子能量每上升10倍,粒子数量就会下降1000倍,所以最终能到达地球的高能宇宙线粒子少之又少。”中国科学院高能物理研究所研究员何会海解释说。

  另一方面,要根据获得的这些少之又少的宇宙线粒子样本来确定它们来自何方,则更是难上加难。曹臻说:“宇宙线多为带电粒子,会在传播过程中被宇宙中无处不在的星际磁场所偏转,等到达地球时早已失去了原初的方向信息,所以无法反推它源自何方。”

  “超新星爆发、黑洞爆发、巨大星系之间的碰撞等,都可能是我们要找的来源。到底谁才是真正的来源,还需要继续寻找证据。我们的高海拔宇宙线观测站正是瞄准这一重大科学难题而提出的。”曹臻说。

   三类探测器互相配合,有望破解宇宙线起源难题

  因为宇宙线能量越高就越稀少,所以越大规模的探测器才有可能捕捉到足够多可供研究的高能宇宙线样本。

  高山实验是宇宙线观测研究中能够充分利用大气作为探测介质、在地进行观测的手段,探测器规模可远大于大气层外的天基探测器。对于超高能量的宇宙线观测,这是唯一手段。目前在建的LHAASO就是中国的第三代高山宇宙线实验室。

  LHAASO占地2040亩,由三大阵列组成:观测站中的地面簇射粒子阵列,是一个约1平方公里的复合地面阵列,约5200个闪烁体探测器按边长15米的正三角形点阵来排布,同时在2.5米的地下每隔30米布设约1200个缪子探测器;水切伦科夫探测器阵列,是一个深4.5米、占地8万平方米的水池,完全密封,水底布满3000路探测单元;广角切伦科夫望远镜阵则是由12台广角切伦科夫望远镜组成。这三类探测器彼此联动,组成巨大的复合探测装置。

  曹臻说:“宇宙线中的伽马射线是由高能光子组成的粒子流,它进入地球大气后会与大气中的原子核发生碰撞,形成一系列新粒子,纷纷落到地面。LHAASO的这3个不同类型的探测器就分别对这些纷纷落下的粒子进行探测。”

  据他介绍,水切伦科夫探测器阵列专门用来探测能量较低的宇宙线,地面簇射粒子阵列主要用于探测能量稍高的宇宙线。而切伦科夫望远镜阵列将开展宇宙线能谱的高精度测量。“三大阵列互相配合,对于宇宙线特征、起源等进行精密分析和研究,最终有望破解宇宙线起源难题。”

   凭借高灵敏度和独特设计,将在国际竞争中保持优势

  为了探索宇宙线这种弥漫整个宇宙的带电粒子的起源,欧美、中、日的伽马天文学实验,美国的南极中微子实验以及多国合作的巨型极高能宇宙线实验组成了3个支柱性的研究分支。其中,伽马天文学实验尤为成熟,孕育着突破的重大机遇。

  目前,该领域的国际竞争十分激烈,各国都在着手对现有的实验装备进行升级换代。美国在结束第二代的MILAGRO实验之后,从海拔2700米移师4100米的高山站址,借此将灵敏度提高十几倍,开始了HAWC实验,已于2015年初完成建设任务,并启动了实验观测。欧洲更加宏伟的切伦科夫望远镜阵列(CTA)计划,已经列入欧洲天体物理发展路线图,将耗资2亿欧元对现有实验升级换代,试图用其传统的定点观测装置覆盖宽广的能区。

  “在这轮竞争中,中国绝不能落后。”中国科学院高能物理研究所副所长罗小安说,“宇宙线研究在我国已有半个多世纪的历史了。而且我国与宇宙线领域研究强国日本、意大利有着近30年的长期合作历史,已经积累了很多成功经验。在此基础上,在综合条件更优越的站址建设高海拔宇宙线观测站,采用多种探测手段实现复合、精确的测量,大幅提高灵敏度,覆盖更宽广的能谱,一定能够对解开宇宙线起源之谜形成强有力的冲击。”

  按照计划,LHAASO预计在2021年建设完成。届时,它将与世界其他3个同水平宇宙线观测站优势互补,一起向宇宙线起源这一世纪之谜发起冲击。

  “位于阿根廷的皮埃尔奥格探测器主要是进行极高能宇宙线探测,南极冰立方探测器则主要对中微子进行探测。目前来看,LHAASO的主要竞争对手是建设中的欧洲切伦科夫望远镜阵列。”曹臻说,但凭借最高的高能伽马射线探测灵敏度、最灵敏的甚高能伽马射线巡天探测、最宽广的宇宙线能量探测范围,以及辨别宇宙线粒子类别的独特设计,LHAASO项目将在未来竞争中保持独特优势。(记者 吴月辉)

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