在海拔4410米高地張網捕捉太陽系外“信使”

　　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，大約4年后，這里將建成一座高海拔宇宙線觀測站（LHAASO），它將是世界上覆蓋能量范圍最大的宇宙線探測設備。

　　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。它彌漫于宇宙當中，時刻存在于我們的星球上。LHAASO首席科學家、項目經理曹臻說，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系以外的唯一物質樣本。迄今為止我們沒辦法獲得太陽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、太陽活動及地球空間環境等重要科學信息，研究宇宙線及其起源是人類探索宇宙的重要途徑。

　　1912年，奧地利科學家赫斯首次發現宇宙線。100多年來，在宇宙線的研究中，發現了許多基本粒子，開創了粒子物理學，還誕生了6位與此相關研究的諾貝爾獎得主，人類卻始終沒有解開宇宙線的起源之謎。

　　因而，宇宙線的起源一直是科學界公認的重大前沿問題，在歐美科學決策機構凝練出的6個或11個基礎科學難題中均位列前5。

　　從上世紀末至今，經過各國科學家的努力，已發現宇宙中有180多個伽馬射線源天體，它們有可能是宇宙線的候選源。

　　LHAASO項目副經理、中科院高能物理所研究員何會海說，高能量的宇宙線粒子，可能產生于劇烈的宇宙事件，像超新星爆發、黑洞爆發、巨大星系之間的碰撞等，都可能產生宇宙線，都是我們找源的對象。目前的研究結果顯示，超過1018電子伏特的粒子都應該是來源于銀河系外，研究宇宙線能讓我們知道宇宙中究竟發生了什么。

　　“宇宙線粒子具有極高的能量。”何會海以最高能量的宇宙線質子為例介紹，其質量僅10-24克，但其動能卻與運動員李娜打出的時速150公里的網球相當。

　　目前人類用電子對撞機已經能夠產生高能粒子。但宇宙線中高能粒子的能量遠超出人類研制的最高能量對撞機所能產生的粒子，其能量比北京正負電子對撞機粒子的能量還要高1000億倍。這么高的能量是怎么產生的？是什么加速原理？

　　正是這些不可思議對科學家產生了巨大的吸引力。

　　三大陣列數千個探測器 協同溯源宇宙線

　　怎樣才能捕獲神奇的宇宙線粒子呢？

　　何會海首先描繪了宇宙線粒子進入地球的過程。

　　高能的宇宙線粒子進入地球大氣層后，會和大氣中的原子核，例如氮或氧的原子核發生相互作用，粒子就像炮彈一樣把原子核打碎。其結果是這個原子核和炮彈一起會變成一堆的次級粒子。這些次級粒子仍然攜帶著很高的能量，繼續與大氣中的原子核發生同樣的相互作用，又把別的原子核打碎，產生了更次級的粒子。如此重復十幾次，這是一個指數增長的過程，產生許多次級粒子，最終次級粒子數可達百億，在空氣中像一場粒子“陣雨”瞬間散布在數平方公里的面積上。科學家把這個過程稱為簇射。

　　簇射產生的粒子幾乎都是以光速在跑，眾多的次級粒子幾乎是同時到達。

　　何會海說，LHAASO要建造許多的探測器。當簇射發生時，只要一個粒子打到探測器上，探測器就弱弱地閃一下。如果幾十個、幾百個探測器同時閃了一下，科學家就知道天上來了一個能量非常高的粒子。

　　LHAASO占地2040畝。科學家計劃在觀測站內布置幾千個探測器。它們分為3個陣列。

　　第一陣列是由5195個電磁粒子探測器和1171個繆子探測器組成的地面簇射粒子陣列。5195個電磁粒子探測器按邊長15米的正三角形點陣來排布，同時在2.5米的土下每隔30米布設1個繆子探測器。第二陣列是水切倫科夫探測器，是一個深4.5米、占地78000平方米的純凈水水池，完全密封，水底布置3000路探測單元。第三陣列是12臺廣角切倫科夫望遠鏡。這三類探測器陣列彼此聯動，組成巨大的復合探測裝置。

　　首席科學家曹臻說，LHAASO的具體科學目標是探索高能宇宙線起源，研究宇宙線加速和傳播機制，同時開展全天區伽馬源掃描搜索，積累各種源的統計樣本，探索其高能輻射機制。科學家還將利用LHAASO探尋暗物質、量子引力或洛侖茲不變性破壞等新物理現象，發現新規律。

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

　　LHAASO為何選址 海拔4410米四川稻城海子山

　　通過在我國高海拔地區的廣泛選址和實地踏勘調研，LHAASO最終選定位于四川稻城海子山、平均海拔為4410米的高地作為觀測基地。

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

　　除了方便觀測之外，LHAASO選定稻城海子山也與稻城的生活設施有一定關系。交通上，距離LHAASO僅10公里的地方就是稻城的民用機場。對于科學家來說，到LHAASO工作、考察等活動不必舟車勞頓。

　　在LHAASO工作的科學家和工作人員住在哪里？這也不用擔心。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。因此項目中有一部分就是在稻城縣城建設LHAASO的測控基地和生活基地。