６月４日，在四川省甘孜州稻城縣的海子山上，中科院高能物理所研究員曹臻站在一塊花崗巖漂礫上，指著前方開闊平坦的山地說(shuō)，大約４年后，這里將建成一座高海拔宇宙線觀測(cè)站（LHAASO），它將是世界上覆蓋能量范圍最大的宇宙線探測(cè)設(shè)備。

LHAASO即將全面開工。

高能宇宙線 開啟了解銀河系的窗口

宇宙線是來(lái)自宇宙空間的高能粒子，其能量跨度為109—1020電子伏特，主要由質(zhì)子和多種元素的原子核組成，并且還包括少量電子和光子。它彌漫于宇宙當(dāng)中，時(shí)刻存在于我們的星球上。LHAASO首席科學(xué)家、項(xiàng)目經(jīng)理曹臻說(shuō)，宇宙線是“銀河隕石”，是傳遞宇宙大事件的“信使”，是地球上存在的太陽(yáng)系以外的唯一物質(zhì)樣本。迄今為止我們沒(méi)辦法獲得太陽(yáng)系外特別是銀河系以外的其他天體的樣本，因此這些天體發(fā)射出的宇宙線，就成了我們了解銀河系的窗口。宇宙線攜帶著宇宙起源、天體演化、太陽(yáng)活動(dòng)及地球空間環(huán)境等重要科學(xué)信息，研究宇宙線及其起源是人類探索宇宙的重要途徑。

1912年，奧地利科學(xué)家赫斯首次發(fā)現(xiàn)宇宙線。100多年來(lái)，在宇宙線的研究中，發(fā)現(xiàn)了許多基本粒子，開創(chuàng)了粒子物理學(xué)，還誕生了6位與此相關(guān)研究的諾貝爾獎(jiǎng)得主，人類卻始終沒(méi)有解開宇宙線的起源之謎。

因而，宇宙線的起源一直是科學(xué)界公認(rèn)的重大前沿問(wèn)題，在歐美科學(xué)決策機(jī)構(gòu)凝練出的6個(gè)或11個(gè)基礎(chǔ)科學(xué)難題中均位列前5。

從上世紀(jì)末至今，經(jīng)過(guò)各國(guó)科學(xué)家的努力，已發(fā)現(xiàn)宇宙中有180多個(gè)伽馬射線源天體，它們有可能是宇宙線的候選源。

LHAASO項(xiàng)目副經(jīng)理、中科院高能物理所研究員何會(huì)海說(shuō)，高能量的宇宙線粒子，可能產(chǎn)生于劇烈的宇宙事件，像超新星爆發(fā)、黑洞爆發(fā)、巨大星系之間的碰撞等，都可能產(chǎn)生宇宙線，都是我們找源的對(duì)象。目前的研究結(jié)果顯示，超過(guò)1018電子伏特的粒子都應(yīng)該是來(lái)源于銀河系外，研究宇宙線能讓我們知道宇宙中究竟發(fā)生了什么。

“宇宙線粒子具有極高的能量。”何會(huì)海以最高能量的宇宙線質(zhì)子為例介紹，其質(zhì)量?jī)H10-24克，但其動(dòng)能卻與運(yùn)動(dòng)員李娜打出的時(shí)速150公里的網(wǎng)球相當(dāng)。

目前人類用電子對(duì)撞機(jī)已經(jīng)能夠產(chǎn)生高能粒子。但宇宙線中高能粒子的能量遠(yuǎn)超出人類研制的最高能量對(duì)撞機(jī)所能產(chǎn)生的粒子，其能量比北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)粒子的能量還要高1000億倍。這么高的能量是怎么產(chǎn)生的？是什么加速原理？

正是這些不可思議對(duì)科學(xué)家產(chǎn)生了巨大的吸引力。

三大陣列數(shù)千個(gè)探測(cè)器 協(xié)同溯源宇宙線

怎樣才能捕獲神奇的宇宙線粒子呢？

何會(huì)海首先描繪了宇宙線粒子進(jìn)入地球的過(guò)程。

高能的宇宙線粒子進(jìn)入地球大氣層后，會(huì)和大氣中的原子核，例如氮或氧的原子核發(fā)生相互作用，粒子就像炮彈一樣把原子核打碎。其結(jié)果是這個(gè)原子核和炮彈一起會(huì)變成一堆的次級(jí)粒子。這些次級(jí)粒子仍然攜帶著很高的能量，繼續(xù)與大氣中的原子核發(fā)生同樣的相互作用，又把別的原子核打碎，產(chǎn)生了更次級(jí)的粒子。如此重復(fù)十幾次，這是一個(gè)指數(shù)增長(zhǎng)的過(guò)程，產(chǎn)生許多次級(jí)粒子，最終次級(jí)粒子數(shù)可達(dá)百億，在空氣中像一場(chǎng)粒子“陣雨”瞬間散布在數(shù)平方公里的面積上。科學(xué)家把這個(gè)過(guò)程稱為簇射。

簇射產(chǎn)生的粒子幾乎都是以光速在跑，眾多的次級(jí)粒子幾乎是同時(shí)到達(dá)。

何會(huì)海說(shuō)，LHAASO要建造許多的探測(cè)器。當(dāng)簇射發(fā)生時(shí)，只要一個(gè)粒子打到探測(cè)器上，探測(cè)器就弱弱地閃一下。如果幾十個(gè)、幾百個(gè)探測(cè)器同時(shí)閃了一下，科學(xué)家就知道天上來(lái)了一個(gè)能量非常高的粒子。

LHAASO占地2040畝。科學(xué)家計(jì)劃在觀測(cè)站內(nèi)布置幾千個(gè)探測(cè)器。它們分為3個(gè)陣列。

第一陣列是由5195個(gè)電磁粒子探測(cè)器和1171個(gè)繆子探測(cè)器組成的地面簇射粒子陣列。5195個(gè)電磁粒子探測(cè)器按邊長(zhǎng)15米的正三角形點(diǎn)陣來(lái)排布，同時(shí)在2.5米的土下每隔30米布設(shè)1個(gè)繆子探測(cè)器。第二陣列是水切倫科夫探測(cè)器，是一個(gè)深4.5米、占地78000平方米的純凈水水池，完全密封，水底布置3000路探測(cè)單元。第三陣列是12臺(tái)廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡。這三類探測(cè)器陣列彼此聯(lián)動(dòng)，組成巨大的復(fù)合探測(cè)裝置。

首席科學(xué)家曹臻說(shuō)，LHAASO的具體科學(xué)目標(biāo)是探索高能宇宙線起源，研究宇宙線加速和傳播機(jī)制，同時(shí)開展全天區(qū)伽馬源掃描搜索，積累各種源的統(tǒng)計(jì)樣本，探索其高能輻射機(jī)制。科學(xué)家還將利用LHAASO探尋暗物質(zhì)、量子引力或洛侖茲不變性破壞等新物理現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)新規(guī)律。

“LHAASO的3大探測(cè)陣列互相配合，有望破解宇宙線起源難題。”對(duì)此曹臻充滿了信心。

LHAASO為何選址 海拔4410米四川稻城海子山

通過(guò)在我國(guó)高海拔地區(qū)的廣泛選址和實(shí)地踏勘調(diào)研，LHAASO最終選定位于四川稻城海子山、平均海拔為4410米的高地作為觀測(cè)基地。

何會(huì)海說(shuō)，宇宙線粒子在穿越大氣層時(shí)會(huì)被大氣吸收。因而海拔高、空氣稀薄的地方，探測(cè)器就能捕獲到更多的宇宙線粒子。國(guó)際科技界普遍認(rèn)為，南美的安第斯山脈和中國(guó)的青藏高原更適合高能粒子觀測(cè)，它們都在海拔4000米以上。

除了方便觀測(cè)之外，LHAASO選定稻城海子山也與稻城的生活設(shè)施有一定關(guān)系。交通上，距離LHAASO僅10公里的地方就是稻城的民用機(jī)場(chǎng)。對(duì)于科學(xué)家來(lái)說(shuō)，到LHAASO工作、考察等活動(dòng)不必舟車勞頓。

在LHAASO工作的科學(xué)家和工作人員住在哪里？這也不用擔(dān)心。稻城縣城距離LHAASO只有50公里，并且海拔一下子就降到了3750米，吃住都比較方便。因此項(xiàng)目中有一部分就是在稻城縣城建設(shè)LHAASO的測(cè)控基地和生活基地。（記者　李大慶）

在海拔4410米高地 張網(wǎng)捕捉太陽(yáng)系外“信使”

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