6月4日清晨，四川省稻城縣突降雨雪。就在這雨雪中，在海拔4410米的海子山，我國又一項大科學(xué)工程高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）即將全面開工建設(shè)。在占地1.36平方公里的圓形區(qū)域內(nèi)，科學(xué)家們將布置三個陣列、四種探測器：水切倫科夫探測器陣列，由3個大型水池構(gòu)成，布置3000路探測單元，陣列面積為7.8萬平方米；地面簇射粒子陣列，由5195路電磁粒子探測器和1171路繆子探測器組成；廣角切倫科夫望遠鏡陣列，由12臺寬視場切倫科夫成像望遠鏡組成。
LHAASO首席科學(xué)家、項目經(jīng)理，中國科學(xué)院高能物理研究所研究員曹臻站在高處俯瞰工地：“LHAASO的建設(shè)周期為4年，核心目標是探索宇宙線起源。建成后，它將是世界上探測最高能量的伽馬射線最靈敏的探測器?！?/p>
宇宙線：攜帶宇宙深層奧秘的高能粒子
高能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。曹臻說：“宇宙線彌漫在整個宇宙，攜帶著宇宙起源、天體演化、太陽活動及地球空間環(huán)境等重要科學(xué)信息。自1912年被發(fā)現(xiàn)以來，研究宇宙線及其起源是人類探索宇宙的重要途徑。在宇宙線的研究中，發(fā)現(xiàn)了許多基本粒子，開創(chuàng)了粒子物理學(xué)，誕生了5位諾貝爾獎得主?！?/p>
曹臻這樣描述宇宙線的重要作用：它是“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。
之所以稱其為“銀河隕石”，曹臻說：“隕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?！?/p>
LHAASO項目副經(jīng)理、中國科學(xué)院高能物理研究所研究員何會海介紹，高能量的宇宙線粒子，可能產(chǎn)生于劇烈的宇宙事件，“比如超新星爆發(fā)、巨大星系中心的超大規(guī)模黑洞爆發(fā)等事件，可能產(chǎn)生宇宙線。目前的研究結(jié)果顯示，超過1018電子伏特的粒子都應(yīng)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(fā)生了什么”。
宇宙線是高能粒子的唯一來源。曹臻解釋，人類用電子對撞機能夠產(chǎn)生高能粒子。“但宇宙線中高能粒子的能量遠超出最高能量對撞機所能產(chǎn)生的粒子，比北京正負電子對撞機粒子能量高1000億倍?！辈苷檎f，“這個‘宇宙加速器’究竟在哪兒？是什么加速原理？我們能不能把這種原理應(yīng)用到未來對撞機的建設(shè)中？”
核心目標：解開宇宙線起源的世紀謎題
據(jù)曹臻介紹，LHAASO有三個科學(xué)目標：探索宇宙線起源、對伽馬射線源進行巡天普查、暗物質(zhì)探測等新物理前沿研究?！疤剿饔钪婢€起源是LHAASO的核心目標，這也是現(xiàn)代物理學(xué)中最基礎(chǔ)的問題之一，被稱為世紀謎題。”
探索宇宙線起源很難，因為絕大多數(shù)宇宙線是帶電粒子，在傳播過程中會因星際或星際磁場的作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)，到達地球時已經(jīng)喪失了原初的方向信息，所以無法反推發(fā)射出宇宙線的源天體，從而無法研究其產(chǎn)生的機制和加速原理。
為了解決這個問題，科學(xué)家們發(fā)展出三種測量中性粒子的方法：極高能宇宙線粒子、超高能中微子和甚高能伽馬射線。曹臻說，極高能宇宙線粒子和超高能中微子事例極為稀少，探測困難，仍處于起步階段，目前的最優(yōu)方法就是探測甚高能伽馬射線。
LHAASO是第三代伽馬天文探測器，與位于西藏羊八井的宇宙線觀測站為代表的第一代和第二代伽馬射線巡天望遠鏡相比，不僅更大，而且更加先進。類似眾多先進技術(shù)讓中國科學(xué)家們更有底氣。曹臻說：“科學(xué)研究能否成功有機遇的成分。但我們相信，LHAASO對解決宇宙線起源和機制之謎形成強有力的沖擊。”
三個世界領(lǐng)先：打造國際宇宙線研究中心
伽馬天文學(xué)領(lǐng)域的國際競爭非常激烈，但中國科學(xué)家們對LHAASO很有信心。曹臻介紹，LHAASO將在三個方面達到世界領(lǐng)先水平。一是具有超高能伽馬射線探測靈敏度，在高于1012電子伏特的能量區(qū)域，LHASSO比歐洲計劃高十幾倍，能夠長期占據(jù)這類實驗研究領(lǐng)域的制高點。二是具有甚高能伽馬射線巡天普查靈敏度，比美國HAWC實驗靈敏度高三四倍。三是具有寬廣能量覆蓋度的宇宙線能譜和成分精確測量裝置。
站在4410米的高原上，看著遠處正在籌備開工的人們，曹臻說，LHAASO將建設(shè)有強大國際競爭力、獨具特色、綜合開放的科學(xué)研究平臺，與現(xiàn)有的國際三大宇宙線研究中心——位于南美的3000平方公里的極高宇宙線AUGER實驗，南極的立方公里中微子ICECUBE實驗，歐洲的伽馬天文定點觀測CTA裝置，一起成為該領(lǐng)域支柱性實驗裝置，并形成極好的互補。
曹臻說：“LHAASO將在國際上形成強大的吸引力，會在提高伽馬射線測量的空間分辨率、拓展對極高能宇宙線觀測能力等方面形成國際合作，在短時間內(nèi)吸引國內(nèi)外新的實驗加盟。LHAASO將成為國際領(lǐng)先水平的高海拔宇宙線研究中心之一?！?/p>
（本報四川稻城6月5日電 本報記者 齊芳） 《光明日報》（ 2017年06月06日 06版）
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