作者:丁佳 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2017/6/5 15:29:40
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高海拔宇宙线观测站:陪你去看“宇宙雨”

 

四川稻城县海子山,空气稀薄,晴雪不定,除了美景,这里几乎一无所有。

但人们不妨带着一双想象的眼睛,重新审视这片高原。因为4年后,在海拔4410米的地方,一个占地面积1.36平方公里的全新大科学装置将从一望无际的冰川漂砾巨石堆中生长出来。即将全面开工建设的国家重大科技基础设施项目——高海拔宇宙线观测站(LHAASO),将成为中国西南地区的一个科学奇观。

几枚诺奖未能解开的世纪谜题

宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子,时时刻刻存在于我们生活的星球上。尽管人们在日常生活中很少能够感受到宇宙线的存在,但包括人类在内的地球生物就是在宇宙线的作用下不断进化的,它一直是科学家的“最爱”。

“作为太阳系以外唯一的物质样本,宇宙线及其起源是人类探索宇宙及其演化的重要途径。”LHAASO项目首席科学家、项目经理、中科院高能物理研究所研究员曹臻说。

1912年,宇宙线由奥地利科学家赫斯首次发现。此后一百多年间,有关宇宙线的研究已经产生了数枚诺贝尔奖牌,但人类却始终没有解开宇宙线的起源之谜。

这使得宇宙线的起源一直是科学界公认的重大前沿问题,成为粒子物理学、天文学、宇宙线学共同关注的科学命题,在欧美科学决策机构凝炼出的6个或11个基础科学难题中均位列前五。

在宇宙线起源的探索领域,欧美和中、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是三个最具代表性的研究分支,而这其中尤以伽马天文学实验最为成熟。

“在过去20年里,全球科学家已经发现180多个宇宙线源天体,这其中存在多个候选者,重大科学突破的机遇就孕育其中。”曹臻说,正因为此,该领域的国际竞争也十分激烈,美国、欧洲都在着手对现有实验装备进行升级换代,以抢占这一领域的制高点。

这种时不我待的紧迫感也同样敲打着曹臻。2009年2月,他的团队酝酿多年的高海拔宇宙线观测站的构想在第342次香山科学会议上获得了广泛的支持,与会专家认为,应尽快启动项目的全面论证和预先研究,并向国家提出了立项建议。

再上高原 中国乘胜追击

“高能宇宙线的能量跨度从109到1020电子伏特,能量越高的宇宙线,代表着越剧烈的宇宙活动。”LHAASO项目副经理、中科院高能物理所研究员何会海告诉《中国科学报》记者,“但是,能量越高的宇宙线就越稀少,需要越大规模的探测器才有可能把它‘抓住’。”

这让科学家把目光转向高山实验。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、在地面进行观测的手段,探测器规模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,这是唯一的手段。

我国的宇宙线研究通过与日本、意大利近30年的长期合作,正是利用了“世界屋脊”青藏高原之上羊八井宇宙线观测站得天独厚的自然优势,获得了研发第一代和第二代伽马射线巡天望远镜的成功经验,在大视场巡天领域跻身国际先进行列。

在此基础上,中国科学家决定乘胜追击。在曹臻的设想中,要在综合条件更优越的站址建设一个新的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,大幅提高探测灵敏度,覆盖更宽广的能谱,建设第三代伽马天文探测器。

经过近6年对对我国高海拔地区的广泛选址和实地踏勘调研,高海拔宇宙线观测站项目最终选定位于四川稻城海子山上平均海拔为4400米的高地作为观测基地,并在海拔较低的稻城县城区建立测控基地。

“这个地方虽然海拔很高,但水、电、路、网一应俱全。得益于国家近年来在基础设施建设方面取得的进步,尤其是稻城亚丁机场的投入运行,我们最终找到了这个世界上少有的理想站址。”曹臻说。

宇宙“集雨器”

宇宙线粒子进入大气层后,会与大气中的原子核发生多次相互作用,产生级联效应,最后可形成上百亿个次级粒子,它们就像一场粒子“阵雨”一样,瞬间降落在数平方公里的地面上,持续时间1纳秒左右。

“我们就是要用不同类型的地面探测器,去收集这些‘宇宙线雨’,分析他们的方向、时间差等,反推原初粒子的性质,开展相关物理研究。”何会海解释道。

高海拔宇宙线观测站的核心科学目标是探索高能宇宙线起源并开展相关的高能辐射、天体演化以及暗物质分布等基础科学的研究。为此,项目团队设计了几种不同类型的探测器:5195个电磁粒子探测器“小方块”,与1171个缪子探测器“大鼓包”一起组成地面簇射粒子阵列;有两个半北京“水立方”那么大的78,000平方米的“大水池”水切伦科夫探测器;以及12台“千里眼”广角切伦科夫望远镜。

“小方块”、“大鼓包”、“大水池”、“千里眼”散布在方圆1.36平方公里的范围内,它们彼此之间的时间同步精度达到了0.1纳秒的水平。

高海拔宇宙线观测站建设周期为4年,投入运行后科学寿命在20年以上。建成后,它将占据三个世界第一:具有最高的高能伽马射线探测灵敏度、能开展最灵敏的甚高能伽马射线巡天探测、具有最宽广的宇宙线能量测量范围。

而在高能物理所副所长罗小安看来,这个观测站所能带来的不仅是科学上的突破。“作为我国大科学装置在西南地区的重要布局,高海拔宇宙线观测站将打造宇宙线研究和天文观测基地,建成国际领先水平的高海拔宇宙线研究中心,对当地的科技、文化教育、旅游以及地方经济发展产生积极的影响。”

 
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