捕捉高能粒子，大科學(xué)工程LHAASO探索宇宙奧秘

科技日?qǐng)?bào)記者 李大慶

今年4月27日，來自中國、美國、日本、德國、法國、意大利、俄羅斯、瑞士等國的專家、學(xué)者共同來到海拔4410米的四川省稻城縣海子山，現(xiàn)場(chǎng)考察正在建設(shè)中的高海拔宇宙線觀測(cè)站（LHAASO）。令他們沒有想到的是，這個(gè)主體工程于2017年6月才開始動(dòng)工的觀測(cè)站，首批探測(cè)器已經(jīng)投入科學(xué)觀測(cè)了。

LHAASO是“十二五”期間啟動(dòng)的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目。2015年12月獲得國家發(fā)改委批準(zhǔn)立項(xiàng)，總投資約12億元，系我國自主研發(fā)。整個(gè)觀測(cè)設(shè)施由電磁粒子探測(cè)器陣列、繆子探測(cè)器陣列、水切倫科夫探測(cè)器陣列、廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列等組成。它的目標(biāo)是捕捉宇宙中飛來的高能粒子。

按照建設(shè)計(jì)劃，LHAASO到2021年才能全部完工?？傻浇衲?月底，由1800個(gè)探測(cè)器組成的、靈敏面積達(dá)22500平方米的一號(hào)水切倫科夫探測(cè)器陣列，兩臺(tái)廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡，180臺(tái)電磁粒子探測(cè)器和80個(gè)繆子探測(cè)器已經(jīng)建好，具備了初步的觀測(cè)條件。迫不及待的科學(xué)家們采用了邊建設(shè)邊運(yùn)行的模式開始了他們的科學(xué)探索之旅。

高能的宇宙線是來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，并包括少量電子和光子。LHAASO首席科學(xué)家、項(xiàng)目經(jīng)理，中科院高能物理所研究員曹臻說，宇宙線彌漫在整個(gè)宇宙中，它攜帶著宇宙起源、天體演化、太陽活動(dòng)及地球空間環(huán)境等多種重要的科學(xué)信息?！白?912年宇宙線被發(fā)現(xiàn)以來，研究宇宙線及其起源便成了人類探索宇宙的一條重要途徑。在以往的有關(guān)宇宙線的研究中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了許多的基本粒子，開創(chuàng)了粒子物理學(xué)。并由此誕生了5位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者?！?/p>

曹臻把宇宙線稱為“銀河隕石”，是傳遞“宇宙大事件”的信使，是發(fā)現(xiàn)“宇宙加速器”的探針。因?yàn)椤半E石是我們了解地外天體的重要樣本，但我們迄今沒辦法得到太陽系外特別是銀河系外其他天體的樣本。于是，它們發(fā)射出的宇宙線，就成了我們了解銀河系的窗口”。

宇宙線的起源一直是科學(xué)界公認(rèn)的重大前沿問題，成為粒子物理學(xué)、天文學(xué)、天體物理學(xué)共同關(guān)注的科學(xué)命題，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。

當(dāng)年在設(shè)計(jì)LHAASO的科學(xué)目標(biāo)時(shí)，中國科學(xué)家計(jì)劃將在3個(gè)方面達(dá)到世界領(lǐng)先水平。一是具有超高能伽馬射線探測(cè)靈敏度，在高于1013電子伏特的能量區(qū)域，LHAASO比歐洲計(jì)劃高十幾倍，能夠長期占據(jù)這類實(shí)驗(yàn)研究領(lǐng)域的制高點(diǎn)；二是具有甚高能伽馬射線巡天普查靈敏度，比美國HAWC實(shí)驗(yàn)靈敏度高三四倍；三是宇宙線能譜和成分精確測(cè)量裝置中具有最寬廣能量覆蓋度。

雖然LHAASO的建設(shè)時(shí)間剛剛走過了一半，但初步用于觀測(cè)的水切倫科夫探測(cè)器陣列一號(hào)陣列，其巡天靈敏度比國際上最高靈敏度的同類裝置就高出30%，從而成為全世界同類裝置中靈敏度最高的探測(cè)器。

水切倫科夫探測(cè)器陣列是觀測(cè)陣列的主要科學(xué)設(shè)施，每天都能夠?qū)?0%以上的天區(qū)進(jìn)行一次掃描，不受日、月、星光及天氣條件的影響，實(shí)現(xiàn)全天候的觀測(cè)，每年將探測(cè)到5萬億個(gè)宇宙線事例，獲取4PB以上的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

曹臻說，有了這個(gè)觀測(cè)手段，我們可以在伽馬暴高能輻射探測(cè)、銀河系外耀變?cè)刺綔y(cè)與觀測(cè)、銀河系內(nèi)伽馬射線源的深度觀測(cè)等方面與國際同類實(shí)驗(yàn)展開廣泛而深入的合作研究了。

對(duì)于這個(gè)全世界海拔最高的宇宙線觀測(cè)站，中科院高能物理所副所長羅小安認(rèn)為，這個(gè)觀測(cè)站建成后所能帶來的不僅是科學(xué)上的突破?！白鳛槲覈罂茖W(xué)裝置在西南地區(qū)的重要布局，高海拔宇宙線觀測(cè)站將打造宇宙線研究和天文觀測(cè)基地，建成國際領(lǐng)先水平的宇宙線研究中心，并對(duì)當(dāng)?shù)氐目萍?、文化教育、旅游以及地方?jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生積極的影響?！?/p>