追踪来自宇宙深处的“信使”

                               
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　　高海拔宇宙线观测站整体布局效果图

　　

                               
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　　被称作宇宙大事件的“陨石”，携带着宇宙起源、天体演化的宝贵信息，宇宙线一直吸引着科学家关注的目光。近日，国家重大科技基础设施高海拔宇宙线观测站(LHAASO)在四川稻城开始地方配套项目建设。“LHAASO建成后每天将能观测到50亿个宇宙线事件。”8月11日，中科院高能物理研究所研究员、高海拔宇宙线观测站(LHAASO)项目首席科学家曹臻介绍，凭借探测灵敏度和能谱测量范围方面的优势，2020年LHAASO建成后将跻身世界四大宇宙线研究中心，有望揭开宇宙线起源的神秘面纱。
　　“世纪谜题”百年未解
　　宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子流，由各种原子核以及非常少量的电子、光子和中微子等组成。它们又被称作“银河陨石”、传递宇宙大事件的“信使”。这是因为宇宙线粒子不同于光辐射，它们本身就是组成宇宙天体的物质成分，并携带着宇宙空间环境信息来到地球。科学家相信，巨大星系中心的超大规模黑洞爆发、巨大星系之间的碰撞等剧烈天体物理现象，会将天体内物质粒子加速并向外喷射，这便是宇宙线可能的源头之一。“宇宙线粒子和阿波罗号从月球带回的土壤样本类似，它的各种成分与太阳系相同，是获取太阳系外物质样本的唯一渠道。”曹臻说，400多年前，伽利略将望远镜指向星空，为现代天文学打开了光学观测遥远天体的窗口。高能宇宙线打开了天文学发现新现象的新窗口，人类可以从宇宙线粒子去研究天体的物质构成以及它们所经历的物理过程。
　　自1912年奥地利科学家赫斯发现宇宙线以来，100多年来科学家因宇宙线研究先后6次获诺贝尔奖。然而，人类对它的兴趣从未消减。“宇宙线来自哪里，它们是如何被加速到如此之高的能量，一直是困扰科学家的问题。”曹臻说，高能宇宙粒子的能量远远超过人工加速器所能获得的最高能量。“北京正负电子对撞机的束流能量刚刚达到我们关心的高能伽玛射线的能量起点。而欧洲大型强子对撞机作为目前世界上最大、能量最高的粒子加速器，它的质心总能量也只是已发现宇宙线粒子最高能量的万分之一。”
　　2004年，美国国家科学技术委员会研究确定了新世纪科学研究的11个“世纪谜题”，宇宙线起源及其加速机制名列其中。
　　三大阵列溯源“信使”来路
　　寻找宇宙线加速机制，首先要确定宇宙线的源天体。然而，这并非易事。
　　曹臻介绍说，高能粒子的数量随着能量的上升急剧下降，粒子能量每上升10倍，粒子数量就会下降1000倍，最终能到达地球的高能宇宙线粒子少之又少。“由探测器组成的占地1平方公里的探测器阵列，大约100年也只能看到1次最高能量的宇宙线事件。”
　　而要根据获得的宇宙线粒子确定它们来自何方更是不易。“宇宙线粒子多为带电粒子，会在传播过程中被宇宙中无处不在的磁场所偏转，根据粒子最后被记录到的运动方向无法判断它源自何方。”
　　好在，宇宙线中的伽玛射线留给了科学家一线希望。伽玛射线是由高能光子组成的粒子流，由于光子的传播不受磁场影响，因此伽玛射线在宇宙空间沿直线传播。进入地球大气后，高能伽玛粒子会与大气中的原子核发生碰撞，形成一系列新粒子。它们如同一场粒子雨，纷纷落到地面。伽玛射线引发的粒子雨正是LHAASO的探测对象之一。
　　曹臻向记者介绍，LHAASO探测阵列由水切伦科夫探测器阵列、地面簇射粒子阵列、广角切伦科夫望远镜阵列三部分组成，分别对纷纷落下的粒子进行探测。“水切伦科夫探测器阵列是一个深4.5米、占地8万平方米的水池，水底布满3000路探测单元，专门用来探测能量较低的宇宙线。占地一平方公里的地面簇射粒子阵列包括地面约5200个闪烁体探测器和埋在地下2.5米的约1200个缪子探测器，主要用于探测能量稍高的宇宙线。”曹臻解释说，之所以将探测器放在水底、地下，目的是通过测量粒子雨中的缪子成分，用于区分LHAASO接收到的是普通宇宙线粒子还是伽玛射线粒子信号，而通过进一步分析伽玛射线粒子的能谱，能够区分这些粒子的起源。“这是LHAASO设计的独特之处。目前科学家已经发现近200个高能伽玛射线源，但它们只能称为宇宙线源候选体，因为除宇宙线外，其他粒子比如电子也会产生伽玛射线。”曹臻说，对于被确定为宇宙线源的候选天体，LHAASO将进行高精度光谱观测，尝试探寻“宇宙线加速器”的奥秘。除此之外，12架切伦科夫望远镜组成的阵列将开展宇宙线能谱的高精度测量。三大阵列互相配合，对于宇宙线特征、起源等进行精密分析和研究，最终有望破解宇宙线起源难题。
　　探索征途不孤单
　　在探寻宇宙线起源的征途上，LHAASO并不孤单。
　　“宇宙线研究在我国已有半个多世纪的历史。”曹臻介绍说，建设于1956年的云南落雪山宇宙线站利用云室探测宇宙线，开启了我国在这一领域的研究。西藏羊八井的国际宇宙线观测站经过20年建设，已成为重要的宇宙线观测窗口。去年发射升空的暗物质卫星“悟空”，也载有高能宇宙线粒子的探测装置。“我国科学家长期奋战在海拔四千米以上的雪域高原，形成了我国宇宙线研究的独特优势。”曹臻说。
　　按照计划，LHAASO将于2020年建设完成，与世界其他3个同水平宇宙线观测站优势互补，向宇宙线起源这一世纪之谜发起冲击。“位于阿根廷的皮埃尔奥格专注于极高能宇宙线探测，南极冰立方(ICE-CUBE)探测器专注于中微子探测，LHAASO的主要竞争对手是建设中的欧洲切伦科夫望远镜阵列CTA。” 曹臻说。利用分别位于南北半球的100多架望远镜，CTA将探测来自特定天体的甚高能伽马射线。虽然LHAASO和CTA工作的能量范围相似，但曹臻认为，凭借最高的高能伽玛射线探测灵敏度、最灵敏的甚高能伽玛射线巡天探测、最宽广的宇宙线能量探测范围，以及辨别宇宙线粒子类别的独特设计，LHAASO项目将在未来竞争中保持独特优势。
　　“近年来，科学家先后发现甚高能伽玛射线源近200个，在《自然》和《科学》杂志发表相关论文16篇，伽玛射线天文正在成为国际研究热点。”曹臻说，“学术界认为宇宙线研究突破在即，LHAASO正是诞生于这样的背景，也希望为此做出贡献。”

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