東直門中學(xué)宇宙線觀測站
學(xué)生研制的便攜式伽馬輻射檢測儀
■通訊員 朱愛民 本報記者 胡珉琦
對于居住在地球上的人類來說，宇宙線是我們能夠得到的來自太陽系外的唯一的物質(zhì)樣本。一百多年來，人類對宇宙線的研究一直沒有停止過。新世紀物理學(xué)前沿有11個重大科學(xué)問題，其中一個就是宇宙線的起源、加速和傳播問題。
通常探討這樣尖深的物理學(xué)問題只能是科學(xué)家的專利，其實不然。從上個世紀末開始，就有來自全世界的中學(xué)生加入宇宙線觀測的團隊，近兩年來，這個團隊中也出現(xiàn)了中國學(xué)生的身影，他們來自北京市東直門中學(xué)。
在全球科學(xué)家面前宣讀實驗報告
2016年11月30日，對北京市東直門中學(xué)的學(xué)生們來說是個特別的日子。因為他們通過網(wǎng)絡(luò)參加了國際宇宙日的視頻會議，并在會上宣讀了自己的實驗報告。這已經(jīng)是他們第二次參加該系列活動了。
這一會議的目的，是讓全世界的學(xué)生團組用一天時間，在科學(xué)家的指導(dǎo)下，學(xué)習(xí)宇宙線基本知識，交流各學(xué)校宇宙線探測器的運行情況和近一年中所取得的實驗結(jié)果。
在2016年的國際宇宙線日活動中，東直門中學(xué)的同學(xué)們提供了廣延大氣簇射實驗數(shù)據(jù)，2017年，他們又提供了μ子實驗結(jié)果。
這些學(xué)生之所以能參與到這項活動中，是因為東直門中學(xué)在中國科學(xué)院高能物理研究所科學(xué)家的指導(dǎo)下，建成并運行著中國第一臺中學(xué)校園宇宙線觀測站。這一觀測站就放置在學(xué)校教學(xué)樓的樓頂上，由9個閃爍探測器、前端電子學(xué)、信號數(shù)字化電路、光電轉(zhuǎn)換、GPS時鐘、信號光纜、微機實時在線控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等構(gòu)成。
4年前，學(xué)生們第一次認識了中科院高能物理所的科學(xué)家，并在他們的幫助下學(xué)習(xí)制作了伽馬輻射檢測儀和檢測儀。同學(xué)們在實驗中動手測試探測器和元器件，了解電子學(xué)線路、焊接電路、設(shè)計電源、學(xué)習(xí)繪圖，甚至還嘗試設(shè)計外裝盒子、打孔、刷油漆。整個流程下來，學(xué)生們長了不少知識，也練會了不少本領(lǐng)。
這一科學(xué)進校園活動徹底激起了大家對科學(xué)研究的興趣，于是，他們將視線轉(zhuǎn)向了宇宙線物理。對于宇宙線觀測站，學(xué)生們從對實驗裝置的好奇到親自動手組裝，了解實驗的全過程，再到參加宇宙日的活動，用英文宣讀論文。
這一系列過程不僅開闊了他們的視野，提高了動手能力，更重要的是提升了他們對參與科學(xué)研究的自信心。正是有了這些基本技能的積累，有的學(xué)生在進入大學(xué)校園后的第一年就動手設(shè)計制作了機器人。
觀測陣列因?qū)W校而擴大
讓科學(xué)家和學(xué)校聯(lián)合起來，把宇宙線實驗裝置放到校園中去，是上世紀末加拿大人提出的一項創(chuàng)意。
長期以來，科學(xué)家們對宇宙線廣延大氣簇射進行了大量的研究。為了能夠全天空探測1017eV至1021eV的極端高能宇宙線，地面上的實驗陣列也越做越大。
目前世界上最大的實驗裝置坐落在南美的阿根廷，它于2008年建成，占地面積有3000平方公里，參與項目研究的科學(xué)家有好幾百人，分別來自17個國家的70多家研究機構(gòu)。現(xiàn)在，科學(xué)家正在北半球美國的南科羅拉多州建造另一個大型宇宙線觀測站，它的占地面積更是達到創(chuàng)紀錄的2萬平方公里。
即便如此，科學(xué)家們?nèi)匀幻媾R一個問題：怎樣才能得到更大面積的觀測陣列？
加拿大人的計劃是，讓科學(xué)家進校園，對有興趣的同學(xué)普及宇宙線物理知識，并開展實驗技能培訓(xùn)，繼而讓學(xué)生們參與實驗的組裝和常規(guī)運行，并進行數(shù)據(jù)的提取和分析。
1998年，加拿大艾伯塔的ALTA實驗率先投入運行。到了2016年，加拿大已經(jīng)在3個城市的17個學(xué)校建立了宇宙線實驗站。
如今，這類實驗在歐美多國大量開展起來，尤其是在美國，已經(jīng)有百余個學(xué)校實驗站，其中加州洛杉磯地區(qū)就有88個之多。在歐洲地區(qū)，荷蘭、芬蘭、瑞典、捷克、波蘭、比利時、意大利、英國、法國、葡萄牙、德國等十幾個國家先后建造了或正在建造學(xué)校宇宙線大氣簇射陣列。
近年來，亞洲國家和地區(qū)也加入到了這一實驗行列。在上一屆國際宇宙線日活動中，除中國大陸團隊，還有中國臺灣地區(qū)、馬來西亞和印度的中學(xué)生團隊。根據(jù)活動組織者刊發(fā)的會報，中國大陸團隊是亞洲唯一提供了實驗結(jié)果的團隊。
據(jù)不完全統(tǒng)計，目前，全球共有此類校園實驗站230個，在建中的約有350個。開展的實驗絕大多數(shù)采用閃爍探測器，少數(shù)采用了高阻板或微波天線；配以電子學(xué)儀器，用微機實現(xiàn)自動控制、運行監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集；使用全球定位系統(tǒng)（GPS）天線，提供絕對的時間基準。探測器一般固定在學(xué)校建筑物的房頂上，由學(xué)校負責運行和維護。各學(xué)校實驗站獲得的數(shù)據(jù)，匯總到一起進行離線分析，得出物理結(jié)果。
為孩子們打開科學(xué)新天地
宇宙線實驗站進校園之所以越來越受到重視，是因為科學(xué)家們認為，從研究角度，遍布全球的校園宇宙線陣列覆蓋面積大，有利于在世界范圍內(nèi)探測和記錄極端高能宇宙線和由極端高能宇宙線粒子產(chǎn)生的簇射。
在美國，IBM捐贈了數(shù)量可觀的計算機用于各學(xué)校探測器的數(shù)據(jù)收集，大型物理實驗室則提供了探測器必需的重要部件，美國能源部國家科學(xué)基金會提供了一些項目的連續(xù)運行經(jīng)費，并建立了全球中學(xué)生宇宙線網(wǎng)e-Lab來進行國際合作、共享實驗數(shù)據(jù)和研究成果。
一段時期以來，美國中學(xué)生的數(shù)學(xué)和物理學(xué)成績差強人意，大學(xué)里在讀的數(shù)學(xué)和物理學(xué)專業(yè)博士研究生多為亞洲孩子。但在大量校園宇宙線實驗站建立以來，這一情況有所改觀。美國的一項調(diào)查統(tǒng)計顯示，學(xué)生們對物理學(xué)的興趣有所提高，報考大學(xué)物理專業(yè)的人數(shù)也在增多。
同樣，在國內(nèi)，國家也加大了對中小學(xué)生科技教育的經(jīng)費支持。東直門中學(xué)宇宙線實驗裝置的建造正是得益于國家的這項政策。
中國地域廣闊，地形復(fù)雜，海拔高度從1米到4500米都有學(xué)校，學(xué)生人口眾多，這是國內(nèi)開展宇宙線研究得天獨厚的條件。因此，如果能對學(xué)校宇宙線實驗給予更大的關(guān)注與支持，率先在北京、上海等教育資源豐富的城市建立中學(xué)和大學(xué)宇宙線實驗站網(wǎng)絡(luò)，進而組成一個全國性的陣列，就可能獲得更多更好的實驗成果，同時，也能給孩子們的未來打開一片新的天地，在他們之中可能出現(xiàn)更多的物理學(xué)愛好者，甚至是真正的科學(xué)家。
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