捕捉宇宙线 海拔4410米叩问宇宙之谜

▲6月4日,在四川省稻城县海子山高海拔宇宙线观测站建设现场,工人们在施工。

四川甘孜藏族自治州稻城县海子山,平均海拔4410米。在散落着数米宽巨石的旷野上,一块有10个足球场大的圆形区域已经成型,挖土机忙着挖出3个品字形、深4.5米的巨型水池。

正在建设的是国家重大科技基础设施高海拔宇宙线观测站(LHAASO),预计明年年底部分投入运行。它的主要使命,是捕获高能的宇宙线并分析其来源和机理。这块1.36平方公里的荒芜高原,将成为人类破解宇宙演化秘密的最先进探针。

宇宙线:一把钥匙打开微观、宇观两个世界

宇宙线又称宇宙射线,是来自宇宙的高能粒子流的总称,其成分包括质子和各种原子核,还有少量的光子、中微子、电子等。在靠近地球的太空中,每分钟约有一个宇宙线穿过一枚硬币大小的面积,人类对这些肉眼看不见的天外来客浑然不觉。

1912年,奥地利物理学家赫斯发现了宇宙线的存在。这些来自深空的粒子携带着比可见光光子高几百万倍的能量,为科学家们送来打开微观世界的钥匙。

1932年,美国物理学家安德森在宇宙线径迹中首次发现了反物质带正电荷的电子。此后,粒子物理学问世,并由此产生了多枚诺贝尔奖牌。

宇宙线的精妙之处,还在于它如同一座桥梁,联系着微观世界与浩渺宇宙。

宇宙线的粒子传播到地球,包含着许多信息。人类研究这些信号,进而对物质的性质展开推断。高海拔宇宙线观测站项目首席科学家、科学院高能物理研究所研究员曹臻说。

曹臻说,作为来自外太空的唯一物质样品,宇宙线携带着其产生地源天体及其经过空间的宇观环境,乃至天体演化及宇宙早期的奥秘,是人类探索宇宙的重要途径。科学家因此将其称为传递宇宙大事件的信使。

捕捉宇宙线:叩问世界之谜

一个多世纪以来,人类对宇宙线的探索手段可谓上天入地下海。

天上,用卫星、空间站在大气层外或大气层顶部直接探测宇宙线；地面,在世界屋脊建西藏羊八井大型地面探测装置；海底,在南极冰层下2400米深处安装巨型中微子望远镜。

虽然探索从未间断,但关于这些粒子的身世,以及什么样的物理过程才能把它们加速到如此高的能量等问题一直成谜。在国际物理学界列出的21世纪11个科学问题中,宇宙线起源之谜位列第五。

宇宙线起源之所以难寻找,主要是在宇宙线粒子成分中,绝大多数是带电粒子。高海拔宇宙线观测站项目副经理、中科院高能物理研究所研究员何会海说,宇宙中到处都是磁场,带电粒子在穿过太空时受其影响改变了方向,丢失了发源地的方向信息。

宇宙线中的伽马射线和中微子不带电,在磁场中穿行不受磁场的偏转,可以指向源的方向。此外,高能量粒子在宇宙磁场中的偏转微小到可以忽略,也可以用来探寻其源头。何会海说,在地面观测中,伽马射线、中微子、极高能粒子成为寻找宇宙线源的理想信使。

由此,也形成了当今国际三大宇宙线研究中心,即位于南美的极高能宇宙线观测站、南极的中微子天文观测站、欧洲的伽马天文观测站。

但目前还没有一个被证实产生了宇宙线,这正是科研团队的机遇所在。曹臻说。

LHAASO:创三个世界第一

到2021年建成后,高海拔宇宙线观测站将成为世界范围内的宇宙线研究中心之一,并占有三个世界第一: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测量范围。中科院高能物理研究所副所长罗小安说,自1954年在云南东川落雪山建立全国首个高山宇宙线实验室起,60多年来,经过三代物理学家的不懈努力,我国已迈入国际宇宙线研究领域的第一梯队。

LHAASO项目之所以选择在甘孜稻城县,是因为这里极佳的观测条件:高海拔、靠近机场、稳定的电力和通信条件,并拥有充足的水资源,还得到了当地的大力支持。

LHAASO总占地面积1.36平方公里,密集的探测器阵列如同在高原上拉起一张天网,对超高能伽马射线具有极强的捕捉能力。观测基地中心是水切伦科夫探测器阵列,由三个品字排列的大水池组成,每个水池里都放有探测器,用来观察粒子阵雨在水中产生的光。

离水切伦科夫探测器阵列不远处是广角切伦科夫望远镜阵列,由12台望远镜组成。5195个电磁粒子探测器和1171个缪子探测器则整齐地排列在水切伦科夫探测器阵列周围,如同洒在一张大饼上的芝麻,组成了地面簇射粒子阵列。宇宙线粒子进入大气层后,如同炮弹击中大气中的原子核,产生了许多次级粒子,落在地面时就像粒子阵雨。曹臻说,通过对粒子阵雨的分析,反推原初宇宙线粒子的性质,开展相关物理研究。

探测阵列只需布局到一定大小就可以开始观测,到2018年年底,仅建成四分之一的LHAASO已经是世界上最大的同类宇宙线观测阵列。