近日，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所、四川省甘孜州人民政府、中科院成都分院在成都簽署協(xié)議，計(jì)劃在四川省甘孜州稻城縣海子山建造一座高海拔宇宙線觀測(cè)站（ＬＨＡＡＳＯ），以研究宇宙線的起源。排名21世紀(jì)11大科學(xué)難題之一的宇宙線起源問(wèn)題，未來(lái)或許將在四川揭曉謎底。
寂靜空曠的宇宙深處，時(shí)時(shí)刻刻都有人們看不見的宇宙線穿行，對(duì)宇宙線的觀測(cè)和研究是人們探索大自然的重要手段之一。經(jīng)過(guò)7年論證，這個(gè)人類歷史上耗資第二大的宇宙線觀測(cè)站最終落戶四川省甘孜州稻城海子山，這是我國(guó)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的又一里程碑事件。利用觀測(cè)站，科學(xué)家將“對(duì)話”宇宙，破解宇宙線起源的世紀(jì)謎題。
研究宇宙線有啥用？
宇宙線亦稱為宇宙射線，是來(lái)自于外太空的高能帶電粒子流，由奧地利科學(xué)家韋克多·漢斯于1912年首次發(fā)現(xiàn)。到達(dá)地球的原初宇宙線粒子的成分主要是多種原子核，可從氫核（即質(zhì)子）按元素周期表一直排到鐵核，但以氫核居多；還包括含量很少的中微子、電子、光子等粒子。但宇宙線中各組分的具體比重尚不清楚。自宇宙線被發(fā)現(xiàn)一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，科學(xué)家們對(duì)其展開了艱辛的探索，但始終未能揭示宇宙線的起源，宇宙線來(lái)自何方已成為“世紀(jì)之謎”。2002年，美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)將宇宙線的起源列為在21世紀(jì)需要解答的11個(gè)宇宙相關(guān)難題之一。探究宇宙線的起源，是海子山觀測(cè)站項(xiàng)目啟動(dòng)的最基本動(dòng)機(jī)。探測(cè)宇宙線中各組分的比重及隨能量的變化，也是該項(xiàng)目所研究的核心問(wèn)題之一。
“研究宇宙線對(duì)人類認(rèn)知宇宙的構(gòu)成、演化以及宇宙對(duì)粒子的加速機(jī)制有重要意義?！备吆０斡钪婢€觀測(cè)站首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員曹臻告訴科技日?qǐng)?bào)記者，宇宙線對(duì)于研究宇宙構(gòu)成具有重要作用。宇宙線是宇宙構(gòu)成中不可或缺的部分，它是來(lái)自外太空的高能粒子。對(duì)于太陽(yáng)系之外遙遠(yuǎn)的宇宙空間，我們只能通過(guò)觀測(cè)宇宙線來(lái)獲取宇宙構(gòu)成的物質(zhì)樣本。研究宇宙線的成分和豐度就是研究宇宙到底由哪些物質(zhì)構(gòu)成。
“雖然還不清楚宇宙線的成因，但是科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，宇宙線的壽命、它們?cè)谟钪嬷羞\(yùn)行的時(shí)間和距離等特性會(huì)隨著宇宙的演化而演化。通過(guò)分析宇宙線的基本性質(zhì)，我們可以得到關(guān)于整個(gè)宇宙演化過(guò)程的一些證據(jù)?！辈苷檎f(shuō)，如果找到宇宙線的起源位置，比如說(shuō)確定為某個(gè)天體、某個(gè)星系的中央?yún)^(qū)域或者黑洞等，人們就能更加仔細(xì)的研究宇宙線的源天體的演化歷程，進(jìn)而分析整個(gè)宇宙的演化。
此外，宇宙線每個(gè)粒子的能量非常高。迄今記錄到的最高能量的宇宙線粒子的能量達(dá)到 3×10^20電子伏特，比人類制造的最大加速器，即歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）產(chǎn)生的粒子能量還要高約3000萬(wàn)倍。人類利用現(xiàn)在掌握的技術(shù)，無(wú)法在地球上建造一個(gè)能把粒子能量加速到宇宙線能量級(jí)別的加速器。倘若我們能夠破解宇宙線的起源之謎，也將揭示這個(gè)宇宙加速器的工作機(jī)理，這對(duì)人類科技發(fā)展意義重大。
為什么選擇海子山？
曹臻表示，四川海子山將要建造的觀測(cè)站將重點(diǎn)關(guān)注宇宙線中的高能伽馬射線（γ光子），這需要在高海拔地區(qū)進(jìn)行觀測(cè)和研究。宇宙線粒子進(jìn)入大氣層后會(huì)被大氣吸收。海拔越高，空氣越稀薄，探測(cè)器就能捕獲到更多的目標(biāo)粒子。此外，大氣的吸收也會(huì)導(dǎo)致探測(cè)器測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生額外的漲落。因此，海拔越高，測(cè)量結(jié)果就越精確。國(guó)際上公認(rèn)的，能夠找到4000米以上高海拔站點(diǎn)的地方只有南美洲的安第斯山脈和中國(guó)的青藏高原。而青藏高原作為“世界屋脊”，其地理?xiàng)l件比安第斯山脈更優(yōu)越，而海子山就地處青藏高原。
除海拔因素外，影響觀測(cè)站選址的因素還包括當(dāng)?shù)氐慕煌ā㈦娏?、通訊、水資源等多種因素。他說(shuō)：“我們經(jīng)過(guò)7年的科學(xué)預(yù)研、選址考察以及專家論證，通過(guò)對(duì)青海、西藏、云南、四川4個(gè)省區(qū)幾十個(gè)站址的各種條件進(jìn)行綜合分析，形成了非常詳細(xì)的選址評(píng)估報(bào)告，最終確定四川省甘孜州稻城縣海子山是條件最為優(yōu)越的站址。稻城縣擁有極佳的觀測(cè)條件：高海拔、靠近機(jī)場(chǎng)、穩(wěn)定的電力和通訊條件，以及充足的水資源?！?/p>
新觀測(cè)站優(yōu)勢(shì)在哪？
據(jù)了解，海子山觀測(cè)站將安裝超大型伽馬源全天普查望遠(yuǎn)鏡和由閃爍體探測(cè)器、繆子探測(cè)器組成的巨型宇宙線簇射探測(cè)器陣列、寬視場(chǎng)契倫科夫成像望遠(yuǎn)鏡陣列、簇射芯探測(cè)器陣列。
曹臻指出，海子山觀測(cè)站計(jì)劃將5種探測(cè)器集成為一個(gè)覆蓋一平方公里的復(fù)合探測(cè)器陣列?！盀榫珳?zhǔn)測(cè)定一個(gè)到達(dá)地球的宇宙線粒子的包括其能量、電荷種類、到達(dá)方向等在內(nèi)的多重物理性質(zhì)，我們需要建立一系列的實(shí)驗(yàn)探測(cè)裝置并組合到一起，對(duì)一個(gè)事例進(jìn)行多參數(shù)的測(cè)量。盡可能多的捕捉該粒子全部的物理信息。再將所得到的信息綜合分析，才能全面精準(zhǔn)的判定所捕獲粒子的物理性質(zhì)?！?/p>
曹臻表示，與自1989年投入運(yùn)行的西藏羊八井觀測(cè)站相比，海子山觀測(cè)站探測(cè)器的規(guī)模和性能將增大幾十倍甚至幾百倍，而且探測(cè)靈敏度大幅度提高。就宇宙線中光子的探測(cè)能力而言，在低能區(qū)，海子山觀測(cè)站的探測(cè)能力是羊八井觀測(cè)站的30多倍；在高能區(qū)，其則是羊八井觀測(cè)站的300多倍。
目前國(guó)際上能夠與海子山觀測(cè)站比肩的探究宇宙線的大型科學(xué)裝置，只有阿根廷極高能宇宙線觀測(cè)站、南極中微子天文臺(tái)和智利切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列。與國(guó)外類似裝置相比，海子山觀測(cè)站同樣獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。曹臻指出，宇宙線中的中微子和光子不帶電，均可以用來(lái)尋找源天體。南極中微子天文臺(tái)主要探測(cè)中微子，海子山觀測(cè)站則主要探究光子。“目前，只有智利契倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列和我國(guó)海子山觀測(cè)站對(duì)光子進(jìn)行深入研究，二者在很大程度上存在競(jìng)爭(zhēng)。但是智利契倫科夫望遠(yuǎn)鏡列陣主要針對(duì)低能區(qū)，進(jìn)行瞄準(zhǔn)已知源天體的研究，其優(yōu)勢(shì)集中在低能區(qū)。而海子山觀測(cè)站的優(yōu)勢(shì)集中在寬視場(chǎng)的全天普查和高能區(qū)的精確測(cè)量。在高能區(qū)的觀測(cè)，我們比國(guó)外要強(qiáng)十幾倍。另外，智利契倫科夫望遠(yuǎn)鏡列陣更多關(guān)注天文領(lǐng)域，而我們還能關(guān)注高能物理方面的研究?！?/p>
除了觀測(cè)還能干啥？
曹臻表示，四川海子山觀測(cè)站投入運(yùn)行后，將是我國(guó)在宇宙線研究領(lǐng)域里第一次在國(guó)際上占據(jù)領(lǐng)先地位。新的探測(cè)器系統(tǒng)建成之后將產(chǎn)生三個(gè)世界第一?！熬凸庾犹綔y(cè)而言，在高能區(qū)，我們的靈敏度全世界最高。就宇宙線帶電粒子測(cè)量而言，我們的能量覆蓋等級(jí)全世界最高、最寬廣。在利用巡天模式去尋找是否存在光子源方面，我們的巡天觀測(cè)普查能力世界最強(qiáng)。在這三個(gè)優(yōu)勢(shì)條件下，我們的科學(xué)家和科研工作者就可以產(chǎn)生出世界一流的研究成果?！?/p>
中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所所長(zhǎng)王貽芳說(shuō)：“中國(guó)的宇宙線研究始于上世紀(jì)50年代，但在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，我們主要是對(duì)國(guó)際上相關(guān)研究進(jìn)行跟蹤和學(xué)習(xí)。我們希望能夠走到國(guó)際前沿，占據(jù)世界領(lǐng)先地位。四川海子山觀測(cè)站的建成將使我們真正具備國(guó)際領(lǐng)先水平。未來(lái)，中國(guó)的宇宙線研究將會(huì)在國(guó)際上占有非常重要的地位。在開展宇宙線研究60多年后，我們終于走到了世界前沿?！?/p>
此外，海子山觀測(cè)站也將會(huì)是大學(xué)和科研院所的教學(xué)基地。曹臻說(shuō)，海子山觀測(cè)站的合作是建立在一個(gè)大合作組的基礎(chǔ)之上。在目前20多個(gè)合作單位中，除中國(guó)科學(xué)院相關(guān)研究所之外，其余大部分來(lái)自大學(xué)。各研究所和院校在海子山觀測(cè)站內(nèi)，不僅能夠培養(yǎng)高精尖的科研人才，也可以以此作為教學(xué)實(shí)驗(yàn)基地，開展物理學(xué)、天文學(xué)等學(xué)科的教學(xué)活動(dòng)。“海子山觀測(cè)站將至少運(yùn)行20年。在此期間，我們將為國(guó)家培養(yǎng)數(shù)百名科研人才，這對(duì)我國(guó)的科研和教育事業(yè)意義重大?！?/p>
■相關(guān)鏈接
探索宇宙線起源為何這樣難？
宇宙線起源的探尋之所以如此困難，是因?yàn)橛钪婢€中絕大部分粒子是帶電粒子，它們?cè)谟钪嬷酗w行的時(shí)候總會(huì)受到磁場(chǎng)影響發(fā)生偏轉(zhuǎn)，逐漸失去了原來(lái)的方向。因此根據(jù)地球上觀測(cè)到的宇宙線到達(dá)方向，很難反推出宇宙線發(fā)射源的方向。而隨著宇宙線能量的升高，磁場(chǎng)對(duì)宇宙線的偏轉(zhuǎn)能力也隨之減小，所以當(dāng)宇宙線的能量高到某一程度時(shí)，所觀測(cè)到的宇宙線的到達(dá)方向能夠近似反映其發(fā)射源所在的方向。所以，正是為了逮住這些極為稀少的高能量宇宙線，必須建設(shè)龐大的觀測(cè)設(shè)備。
極高能宇宙線稀少到什么程度呢？在1平方公里的面積上100年才可能落下一個(gè)。要積累到足夠用于物理分析的統(tǒng)計(jì)量，需要建造面積巨大且能長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的探測(cè)器，如著名的俄歇觀測(cè)站的探測(cè)器覆蓋面積達(dá)到3000平方公里，但要積累足夠多的極高能宇宙線粒子，仍然需要觀測(cè)10年甚而更長(zhǎng)的時(shí)間。
人類迄今探測(cè)到的最高能量的粒子，是落在美國(guó)Utah沙漠里的探測(cè)裝置Fly's Eye附近的宇宙線粒子, 它的能量是世界最大加速器產(chǎn)生的質(zhì)子能量的4000萬(wàn)倍。像這樣的高能粒子并不容易測(cè)到, 平均而言, 一平方公里一個(gè)世紀(jì)可以等到一個(gè)。
（來(lái)源：《科技日?qǐng)?bào)》 2015年09月18日 第07版）
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