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寻迹宇宙信使

寻迹宇宙信使

高海拔宇宙线观测站LHAASO的设计方案效果图。

LHAASO科研团队部分成员和施工现场部分工人在LHAASO站址大石上合影。记者佘惠敏摄

  它是我国海拔最高的大科学基础设施,投资超过10亿元,将在方圆1.36平方公里的雪域荒原上安装近万个世界最先进最灵敏的探测器,一探世纪难题——高能宇宙线起源。

  它的名字叫“拉索”(LHAASO),全称为高海拔宇宙线观测站,于2015年12月获批立项,最近通过了初步设计报告评审,即将全面开工建设。

  想知道“拉索”有多么“高富帅”吗?6月初,《经济日报》记者奔赴“拉索”站址四川稻城海子山采访,为您带回第一手的见闻。

  宇宙溯源 信使有痕

  宇宙线是一种来自宇宙的高能粒子流,携带着宇宙起源、天体演化等宏观信息,是传递“宇宙大事件”的信使。高能宇宙线的起源是一个一直未获解决的世纪难题,“宇宙加速器”在哪里?是什么加速原理?“拉索”的科学目标就瞄准了这里。

  在平均海拔4410米的四川稻城海子山“拉索”观测基地上,记者看到,这里基本还是一片荒原。2000多亩的观测基地范围内,主要是高山草地。许多大块的石头错落散布其间,中心区有清澈的小河缓缓流过,看似与周边的雪域荒原连为一体,并没有什么不同。让这片区域显得不一样的是,几条正在修建的道路和水渠边,有四川路桥集团的工人们基础作业的忙碌身影。记者采访得知,基建工作从去年7月就已经开始,目前,电建、土建等基建工作进展顺利,为即将动工的“拉索”主体项目建设奠定了基础。

  为什么要在如此高海拔的荒原无人区,建设一个这么大的探测基地?

  “拉索”项目首席科学家、中国科学院高能物理所研究员曹臻给记者讲了一个“宇宙无限、信使有痕”的科普故事。

  “探索宇宙的起源与演化是人类智慧的永恒驱动力,我们希望通过宇宙线这个信使来了解宇宙。”曹臻说,自1912年人类发现宇宙线以来,研究宇宙线的努力从未中断过。

  宇宙线是一种来自宇宙的高能粒子流,携带着宇宙起源、天体演化、空间环境和太阳活动等宏观信息,是传递“宇宙大事件”的信使。这些高能粒子主要是原子核,还包括少量电子和光子。

  宇宙线粒子的动能跨越14个数量级,不同的能量反映了不同的起源。太阳宇宙线的能量最低,大约以10"10(10的10次方)eV(电子伏特)作为起点;从10"11 eV到10"18eV的宇宙线主要起源于银河系内;而能量高于10"18eV的宇宙线,主要来自于银河系外的广垠宇宙。

  “宇宙线的能量可以很高。”曹臻介绍,宇宙中存在能量极高的宇宙线高能粒子,可以达到10"20eV以上,而北京正负电子对撞机这样的人工粒子加速器仅能加速出10"9eV的高能粒子,前者的能量比后者高1000亿倍左右。

  高能宇宙线的起源是一个一直未获解决的世纪难题,“宇宙加速器”在哪里?是什么加速原理?“拉索”的科学目标就瞄准了这里。

  为什么“拉索”要建这么大?因为宇宙线能量越高越稀少,建得足够大,才能捕捉到足够多可供研究的高能宇宙线样本。

  “‘拉索’的主要工作能区是10"12 eV到10"18eV,一个典型的事例发生率是每平方米每年1个事例,它有100万平方米,一年可测量100万个事例。而能量高于10"18eV的银河系外高能粒子,大约每年每平方公里1个,‘拉索’每年只能捕捉到一个左右。”曹臻说。

  进入地球大气层的高能宇宙线原初粒子会与空气中的原子核相碰撞,连续发生强相互作用和电磁相互作用,产生大量次级粒子,衍生出地球上最为壮观的多粒子事件——广延大气簇射(EAS)。科学家们将之形象地称为粒子“阵雨”。

  在方圆1.36平方公里、布下近万探测器的“拉索”,将探测到这样的“阵雨”,科学家们将通过“阵雨”的详细数据追溯出高能宇宙线粒子的特征,再追溯高能宇宙线粒子的“源”,也就是“宇宙加速器”,从而研究高能宇宙线的产生机制。

  现在,宇宙中有180多个天体是科学家们发现的候选源,科学家们要从中找到各种证据,证明其中谁才是真正的“宇宙加速器”。“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‘源’,我们希望找到多个‘宇宙加速器’,这样才能更好地研究高能宇宙线的起源。”曹臻说。

  百年求索 三代神器

  高山实验是宇宙线观测研究中必不可少的研究手段。中国的高山宇宙线实验室经历了3个发展阶段:上世纪50年代建立的云南落雪山宇宙线实验站;1987年建设的西藏羊八井国际宇宙线观测站;目前即将开建的“拉索”是第三代。

  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。在宇宙线被发现之后的一百年间,与之相关的探索与研究已经产生了数枚诺贝尔奖牌,但人类始终没有发现宇宙线的起源。这使得宇宙线起源问题成为自然科学在21世纪所面临的若干基本问题之一,在欧、美科学决策机构提出的6个或11个本世纪基础科学难题中,均位列前五。

  “拉索”正是瞄准这一重大科学难题而提出的,但并非好大喜功的一蹴而就,而是经过了几代中国高能物理学家们数十年的积累。

  高山实验是宇宙线观测研究中能够尽可能减小大气层的吸收效应的地面探测手段,其规模可以远大于大气层外的天基探测器,成为甚高能和超高能伽马天文及宇宙线观测中必不可少的研究手段。

北京时时彩  中国科学院高能所副所长罗小安向记者介绍,中国的高山宇宙线实验室经历了3个发展阶段。

  上世纪50年代建立的云南落雪山宇宙线实验站,是中国第一个高山宇宙线实验室,先后安装了多板云室、磁云雾室和大云室组,为我国粒子物理研究奠定基础。

  1987年,高能所开始在西藏羊八井建设国际宇宙线观测站,此中建设的中日合作广延大气簇射阵列(ASγ)和中意合作全覆盖探测阵列(ARGO-YBJ),是国际四大超高能γ天文和超高能宇宙线研究阵列之一。

  第三代高山宇宙线实验室,就是目前在建的“拉索”。

  “在羊八井开始阶段的中日合作项目中,我们主要是向日本人学习,采用对方的方案和设备;在90年代末的中意合作项目中,我们已经跟意大利人平起平坐,共同研发探测装置,共同开展重要的科学研究;现在的‘拉索’项目,则完全是中国科学家设计引领,并吸引了法国、意大利、俄罗斯、瑞士等多国科学家参与的国际前沿大科学工程。”罗小安介绍,通过与宇宙线领域研究强国日本、意大利近30年的长期合作,我国已经积累了很多成功经验,在此基础上提出的“拉索”项目,建成后将占据三个世界第一:世界最高的高能伽马射线探测灵敏度,其功能是判断一个源是否为宇宙加速器;世界最灵敏的甚高能伽马射线巡天探测,可以对全天区扫描,发现更多源;世界最宽广的宇宙线能量测量范围,具有宽广能量覆盖度的宇宙线能谱和成分精确测量装置,可对解开宇宙线起源之谜形成强有力的冲击。

  众志成城 面向前沿

  由5195个电磁粒子探测器和1171个缪子探测器组成的地面簇射粒子阵列;78000平方米的水切伦科夫探测器;12台广角切伦科夫望远镜……为将“拉索”的设计蓝图变为现实,建设者们攻坚克难,在工程实施和技术创新上不断突破。

  “拉索”的探测基地将由哪些主要装置构成?

  我国科学家在蓝图中将“拉索”探测北京时时彩器阵列设计为三个部分:由5195个电磁粒子探测器和1171个缪子探测器组成的地面簇射粒子阵列;78000平方米水切伦科夫探测器,分为3000个探测单元;12台广角切伦科夫望远镜。

  在这些探测器施工过程中,哪些地方难度最大?

  “拉索”工程办主任、中科院高能物理所副研究员白云翔告诉记者,在设施建设过程中,既有工程实施的挑战也有技术上的创新。“我们要建造面积相当于2.5个水立方的‘中央大水池’——包含3000个探测单元的7.8万平方米的水切伦科夫探测器。这个水池要完全密闭,既要做好内防水,也要做好外防水,确保优质的洁净水不泄露,还不能被外界渗漏进来的水所污染。此外,避光也是很大的挑战,水切伦科夫探测器要对单光子级别的光信号进行研究,必须屏蔽所有自然光,才能捕捉进入其中的每一个高能伽马光子踪迹。”

  在技术上也有多个创新。比如观测基地方圆1.36平方公里的阵列里,布置了上万路探测器,要做到每路探测器的时间保持同步就是一大难点。“宇宙线高能粒子以光速来临,与空气碰撞后形成粒子阵雨洒落到探测器上,阵雨落下的整个过程仅持续纳秒量级,假如有1000个探测器被击中,每个探测器都有1个时间记录,记录精准度要达到0.1纳秒内。”白云翔说,单个探测器探测精度定在0.1纳秒内不难,但这么大范围内,这么多路探测器定时精度保持在这个水平上,这是“拉索”的突破。

  然而,这些难关都是必须攻破的,攻破难关,“拉索”才有竞争力。

  宇宙线研究在国际上是热门,其三个主要分支分别是欧美和中、日的伽马天文学实验,美国为首的南极中微子实验,以及多国合作的巨型极高能宇宙线实验。“拉索”属于伽马天文学实验,是三个分支中最成熟的领域,国际竞争十分激烈。

  目前,在这一领域,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。欧洲提出了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,北京时时彩将耗资2亿欧元对现有实验升级换代。

  从设计指标看,在高于10TeV(10"12eV,万亿电子伏特)的能量区域,“拉索”的超高能伽马射线探测灵敏度是世界之最,比欧洲CTA计划的灵敏度还要高十几倍;在几百GeV(10"9eV,十亿电子伏特)的能区,“拉索”的甚高能伽马射线巡天普查灵敏度也是世界第一,高于美国HAWC实验3到4倍。

  “拉索”项目建设周期为4年,投入运行后科学寿命在20年以上。

  挑战宇宙线起源的世纪之谜,中国“拉索”即将报到!

(原载于《经济日报》 2017-06-09 15版)