LHAASO，大型高海拔空氣簇射觀測(cè)站，將在此前未探索過的能量帶內(nèi)攔截伽瑪射線簇射。
這座建造在高山之上的宏偉觀測(cè)站將會(huì)為宇宙線（射向地球的高能粒子）的起源提供獨(dú)特的研究視角。該項(xiàng)目已開始施工，它是人類探測(cè)超高能伽瑪射線的首次嘗試。超高能伽瑪射線被認(rèn)為是銀河系中與宇宙線一同形成的輻射波，但其來源更容易追蹤。
觀測(cè)站占地1.3平方千米，位于四川省稻城縣附近，鄰近西藏。在環(huán)評(píng)報(bào)告說服政府建設(shè)觀測(cè)站不會(huì)危害附近自然保護(hù)區(qū)中的白唇鹿（Cervus albirostris）和其他動(dòng)物后，這一項(xiàng)目于今年1月獲得了批準(zhǔn)。現(xiàn)在，施工方正在為價(jià)值12億元的大型高海拔空氣簇射觀測(cè)站（LHAASO）安裝基礎(chǔ)設(shè)施。
“這將是闡明宇宙線物理學(xué)相關(guān)問題的引領(lǐng)項(xiàng)目，”羅馬國(guó)家核物理研究所（INFN）的粒子物理學(xué)家Giuseppe Di Sciascio說。Di Sciascio與來自瑞士、俄羅斯和泰國(guó)等國(guó)的研究者都希望能參與這一項(xiàng)目的合作。
LHAASO將會(huì)探索的一個(gè)主要物理學(xué)問題是，是什么將宇宙線（質(zhì)子或原子核等帶電粒子）加速到了如此之高的能量。一些撞擊地球的宇宙線的能量比日內(nèi)瓦附近的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（最強(qiáng)大的人造粒子加速器）還要高數(shù)百萬倍?？茖W(xué)家推測(cè)，一些天體現(xiàn)象，比如黑洞或超新星可能是宇宙線的來源，但這些假說還未被明確證實(shí)。
磁場(chǎng)能在帶電粒子穿過太空時(shí)改變它們的方向，使人們無法追蹤其路徑。但不帶電荷的伽瑪射線是直射的?？茖W(xué)家猜測(cè)，發(fā)射高能伽瑪射線的一些機(jī)制可能也是宇宙線的發(fā)射源；因此，他們希望追蹤射向地球的伽瑪射線的路徑，以精確定位宇宙線的來源。LHAASO項(xiàng)目主任，中科院高能物理研究所的天體粒子物理學(xué)家曹臻表示：“伽瑪射線能直接指向宇宙線的源頭?！?/p>
中國(guó)將在四川省稻城縣附近的海子山建造一座超高能伽瑪射線觀測(cè)站。 圖片來源：Michael Freeman/Alamy
迄今為止，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了約180個(gè)高能伽瑪射線源，但沒有一個(gè)被證實(shí)也產(chǎn)生了宇宙線。但LHAASO將是首個(gè)尋找最高能量的伽瑪射線，也就是千萬億電子伏特電子伏特（1015eV）范圍射線的觀測(cè)站。哈佛大學(xué)的理論天體物理學(xué)家Avi Loeb說，“LHAASO是首個(gè)探測(cè)這一范圍的觀測(cè)站，將會(huì)為研究伽瑪射線創(chuàng)造全新的機(jī)遇?！?/p>
曹臻表示，每個(gè)陣列的四分之一將會(huì)在2018年安裝完成，預(yù)計(jì)將在2019年獲得首個(gè)結(jié)果——很有可能是對(duì)蟹狀星云的分析。觀測(cè)站預(yù)計(jì)將于2021年1月完工。
Di Sciascio說，LHAASO密集的探測(cè)器陣列和地理位置賦予了它前所未有的超高能伽瑪射線探測(cè)能力。地球上層大氣會(huì)吸收這些射線，分裂出由低能粒子組成的空氣簇射。由于LHAASO的海拔超過4.4千米，其探測(cè)器便能在空氣簇射衰變成更低能的粒子前捕獲其中的大部分。
觀測(cè)站擁有超過5000個(gè)閃爍體探測(cè)器（見“捕捉射線”），它能將伽瑪輻射轉(zhuǎn)換成可測(cè)量的光，以識(shí)別入射粒子的原始能量。
中國(guó)的高海拔觀測(cè)站將會(huì)使用四個(gè)不同的陣列來探測(cè)伽瑪射線和宇宙線。圖片來源：IHEP
LHAASO 還包括80000平方米的大型地表水池，以利用契倫科夫效應(yīng)——粒子在特定介質(zhì)中的傳播速度比該介質(zhì)中的光速更快時(shí)會(huì)發(fā)出光。來自伽瑪射線簇射的粒子穿過空氣或水時(shí)會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象。地表水池裝備有檢測(cè)藍(lán)色光的光電倍增管，科學(xué)家可以使用這些數(shù)據(jù)來計(jì)算粒子的能量和方向。他們?cè)噲D通過組合來自不同粒子的數(shù)據(jù)來重建原始伽瑪射線。
LHAASO的地表水陣列比墨西哥Picode Orizaba國(guó)家公園的高海拔地表水契倫科夫（HAWC）伽瑪射線觀測(cè)站的探測(cè)池大4倍，后者自2015年以來已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)十個(gè)伽瑪射線源。曹臻不愿估計(jì)LHAASO將能檢測(cè)到多少個(gè)伽瑪射線源，但表示科學(xué)家希望它能將已知的伽瑪射線源數(shù)量增加到數(shù)千級(jí)。
另一種探測(cè)器也將協(xié)助LHAASO在千兆電子伏特范圍內(nèi)檢測(cè)伽瑪射線：1171個(gè)地下水箱將被用于探測(cè)μ子。不同于其他粒子，μ子能夠穿透地表。相比于宇宙線簇射，伽瑪射線簇射所含的μ子數(shù)量更少，這有助于研究者篩選出伽瑪射線事件。“如果射線中有很多μ子，我們就知道它是背景噪音，也就是宇宙線簇射，我們就能排除它，”曹臻解釋道。
LHAASO也會(huì)直接探測(cè)宇宙線簇射，并為這一任務(wù)專門分配了12臺(tái)望遠(yuǎn)鏡。它們將會(huì)利用契倫科夫效應(yīng)，使科學(xué)家得以計(jì)算出宇宙線的能量和組成。
Di Sciascio說，LHAASO可以確定銀河系中的宇宙事件能產(chǎn)生的最大能量，因?yàn)樗臋z測(cè)能力達(dá)到了人們認(rèn)為這類事件所能發(fā)射的最高能量范圍。他希望LHAASO能解決這些有關(guān)能量上限的持續(xù)爭(zhēng)論。他說，LHAASO的布局和多樣的探測(cè)器配置“使我們相信所有這些問題都將會(huì)以前所未有的敏感度得到探索”。
原文鏈接：Chinese mountain observatory to probe cosmic-ray origins
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