本報(bào)記者 吳月輝
這五年，中國(guó)科技發(fā)展駛上快車道，一連串科技進(jìn)步令人驚嘆，一大批重大成果驚艷全球——“神威·太湖之光”超算系統(tǒng)居世界之冠，暗物質(zhì)衛(wèi)星“悟空”成功發(fā)射，世界最大單口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）主體工程完工，世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”成功發(fā)射，天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船與天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室順利完成自動(dòng)交會(huì)對(duì)接，國(guó)產(chǎn)商用大飛機(jī)試飛成功，首次實(shí)現(xiàn)海域可燃冰試采成功……
為展示黨的十八大以來(lái)我國(guó)令人矚目的科技成就，本版今起推出“厲害了，中國(guó)科技”系列報(bào)道，關(guān)注創(chuàng)新發(fā)展，聚焦科技突破，為“中國(guó)奇跡”喝彩！
——編 者
四川稻城縣海子山，平均海拔4410米。區(qū)內(nèi)布滿了大大小小的花崗巖漂礫及形態(tài)各異的冰蝕巖盆，蠻荒而蒼涼。然而，這里卻被科學(xué)家認(rèn)定為世界上少有的宇宙線觀測(cè)理想站址。
2014年8月，國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目——高海拔宇宙線觀測(cè)站（LHAASO）最終決定落戶于此。經(jīng)過(guò)幾年的基建準(zhǔn)備工作，近日，LHAASO項(xiàng)目主體工程將全面開(kāi)工建設(shè)。
研究宇宙線及其起源，是人類探索宇宙的重要途徑
宇宙線是來(lái)自宇宙空間的高能粒子，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、中微子，時(shí)刻存在于我們的星球之上。
LHAASO項(xiàng)目首席科學(xué)家、項(xiàng)目經(jīng)理、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員曹臻說(shuō)：“宇宙線又被稱作‘銀河隕石’，或傳遞宇宙大事件的‘信使’。它們本身就是組成宇宙天體的物質(zhì)成分，并攜帶著宇宙起源、天體演化、太陽(yáng)活動(dòng)及地球空間環(huán)境等重要科學(xué)信息。因此，研究宇宙線及其起源是人類探索宇宙的重要途徑?！?/p>
1912年，奧地利科學(xué)家赫斯首次發(fā)現(xiàn)宇宙線。此后的100年間，與之相關(guān)的探索與研究已經(jīng)產(chǎn)生了6枚諾貝爾獎(jiǎng)牌，但人類卻始終沒(méi)有發(fā)現(xiàn)宇宙線的起源。
“宇宙線來(lái)自哪里，它們是如何被加速到如此之高的能量，一直是困擾科學(xué)家的問(wèn)題?！辈苷檎f(shuō)。
2004年，美國(guó)國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)研究確定了新世紀(jì)科學(xué)研究的11個(gè)世紀(jì)謎題，宇宙線起源及其加速機(jī)制名列其中。宇宙線來(lái)自哪里為何這么難以判斷？
一方面，捕捉高能宇宙線就極其不易。高能宇宙線的能量跨度從109到1020電子伏特，能量高的宇宙線應(yīng)該來(lái)自于劇烈的天體活動(dòng)所伴隨的粒子加速過(guò)程。但是，能量越高的宇宙線也越稀少?！斑@是因?yàn)楦吣芰Ｗ拥臄?shù)量隨著能量的上升急劇下降，粒子能量每上升10倍，粒子數(shù)量就會(huì)下降1000倍，所以最終能到達(dá)地球的高能宇宙線粒子少之又少。”中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員何會(huì)海解釋說(shuō)。
另一方面，要根據(jù)獲得的這些少之又少的宇宙線粒子樣本來(lái)確定它們來(lái)自何方，則更是難上加難。曹臻說(shuō)：“宇宙線多為帶電粒子，會(huì)在傳播過(guò)程中被宇宙中無(wú)處不在的星際磁場(chǎng)所偏轉(zhuǎn)，等到達(dá)地球時(shí)早已失去了原初的方向信息，所以無(wú)法反推它源自何方?！?/p>
“超新星爆發(fā)、黑洞爆發(fā)、巨大星系之間的碰撞等，都可能是我們要找的來(lái)源。到底誰(shuí)才是真正的來(lái)源，還需要繼續(xù)尋找證據(jù)。我們的高海拔宇宙線觀測(cè)站正是瞄準(zhǔn)這一重大科學(xué)難題而提出的。”曹臻說(shuō)。
三類探測(cè)器互相配合，有望破解宇宙線起源難題
因?yàn)橛钪婢€能量越高就越稀少，所以越大規(guī)模的探測(cè)器才有可能捕捉到足夠多可供研究的高能宇宙線樣本。
高山實(shí)驗(yàn)是宇宙線觀測(cè)研究中能夠充分利用大氣作為探測(cè)介質(zhì)、在地進(jìn)行觀測(cè)的手段，探測(cè)器規(guī)?？蛇h(yuǎn)大于大氣層外的天基探測(cè)器。對(duì)于超高能量的宇宙線觀測(cè)，這是唯一手段。目前在建的LHAASO就是中國(guó)的第三代高山宇宙線實(shí)驗(yàn)室。
LHAASO占地2040畝，由三大陣列組成：觀測(cè)站中的地面簇射粒子陣列，是一個(gè)約1平方公里的復(fù)合地面陣列，約5200個(gè)閃爍體探測(cè)器按邊長(zhǎng)15米的正三角形點(diǎn)陣來(lái)排布，同時(shí)在2.5米的地下每隔30米布設(shè)約1200個(gè)繆子探測(cè)器；水切倫科夫探測(cè)器陣列，是一個(gè)深4.5米、占地8萬(wàn)平方米的水池，完全密封，水底布滿3000路探測(cè)單元；廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣則是由12臺(tái)廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡組成。這三類探測(cè)器彼此聯(lián)動(dòng)，組成巨大的復(fù)合探測(cè)裝置。
曹臻說(shuō)：“宇宙線中的伽馬射線是由高能光子組成的粒子流，它進(jìn)入地球大氣后會(huì)與大氣中的原子核發(fā)生碰撞，形成一系列新粒子，紛紛落到地面。LHAASO的這3個(gè)不同類型的探測(cè)器就分別對(duì)這些紛紛落下的粒子進(jìn)行探測(cè)?！?/p>
據(jù)他介紹，水切倫科夫探測(cè)器陣列專門用來(lái)探測(cè)能量較低的宇宙線，地面簇射粒子陣列主要用于探測(cè)能量稍高的宇宙線。而切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列將開(kāi)展宇宙線能譜的高精度測(cè)量。“三大陣列互相配合，對(duì)于宇宙線特征、起源等進(jìn)行精密分析和研究，最終有望破解宇宙線起源難題?！?/p>
憑借高靈敏度和獨(dú)特設(shè)計(jì)，將在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中保持優(yōu)勢(shì)
為了探索宇宙線這種彌漫整個(gè)宇宙的帶電粒子的起源，歐美、中、日的伽馬天文學(xué)實(shí)驗(yàn)，美國(guó)的南極中微子實(shí)驗(yàn)以及多國(guó)合作的巨型極高能宇宙線實(shí)驗(yàn)組成了3個(gè)支柱性的研究分支。其中，伽馬天文學(xué)實(shí)驗(yàn)尤為成熟，孕育著突破的重大機(jī)遇。
目前，該領(lǐng)域的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)十分激烈，各國(guó)都在著手對(duì)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)裝備進(jìn)行升級(jí)換代。美國(guó)在結(jié)束第二代的MILAGRO實(shí)驗(yàn)之后，從海拔2700米移師4100米的高山站址，借此將靈敏度提高十幾倍，開(kāi)始了HAWC實(shí)驗(yàn)，已于2015年初完成建設(shè)任務(wù)，并啟動(dòng)了實(shí)驗(yàn)觀測(cè)。歐洲更加宏偉的切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列（CTA）計(jì)劃，已經(jīng)列入歐洲天體物理發(fā)展路線圖，將耗資2億歐元對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)升級(jí)換代，試圖用其傳統(tǒng)的定點(diǎn)觀測(cè)裝置覆蓋寬廣的能區(qū)。
“在這輪競(jìng)爭(zhēng)中，中國(guó)絕不能落后?！敝袊?guó)科學(xué)院高能物理研究所副所長(zhǎng)羅小安說(shuō)，“宇宙線研究在我國(guó)已有半個(gè)多世紀(jì)的歷史了。而且我國(guó)與宇宙線領(lǐng)域研究強(qiáng)國(guó)日本、意大利有著近30年的長(zhǎng)期合作歷史，已經(jīng)積累了很多成功經(jīng)驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，在綜合條件更優(yōu)越的站址建設(shè)高海拔宇宙線觀測(cè)站，采用多種探測(cè)手段實(shí)現(xiàn)復(fù)合、精確的測(cè)量，大幅提高靈敏度，覆蓋更寬廣的能譜，一定能夠?qū)忾_(kāi)宇宙線起源之謎形成強(qiáng)有力的沖擊?！?/p>
按照計(jì)劃，LHAASO預(yù)計(jì)在2021年建設(shè)完成。屆時(shí)，它將與世界其他3個(gè)同水平宇宙線觀測(cè)站優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，一起向宇宙線起源這一世紀(jì)之謎發(fā)起沖擊。
“位于阿根廷的皮埃爾奧格探測(cè)器主要是進(jìn)行極高能宇宙線探測(cè)，南極冰立方探測(cè)器則主要對(duì)中微子進(jìn)行探測(cè)。目前來(lái)看，LHAASO的主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手是建設(shè)中的歐洲切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列?！辈苷檎f(shuō)，但憑借最高的高能伽馬射線探測(cè)靈敏度、最靈敏的甚高能伽馬射線巡天探測(cè)、最寬廣的宇宙線能量探測(cè)范圍，以及辨別宇宙線粒子類別的獨(dú)特設(shè)計(jì)，LHAASO項(xiàng)目將在未來(lái)競(jìng)爭(zhēng)中保持獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
《人民日?qǐng)?bào)》（ 2017年06月09日12版）
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