站在星空下，你是否幻想過這一片靜謐的夜空中蘊藏著什么？又是否意識到在你靜靜仰望星空之時，已有許多“天外來客”降落在身側(cè)？
從古至今，中國人對這片浩瀚宇宙的探索腳步從未停歇。早在兩千多年前，屈原以一首長詩《天問》發(fā)出了對宇宙洪荒、天地自然的疑問。時光如白駒過隙，兩千年后的今天，我們?nèi)匀槐３痔剿魑粗l(fā)現(xiàn)新奇的熱情和勇氣，用人才為針、科技為線，織就對神秘宇宙探索的一片片“網(wǎng)絡(luò)”。
2023年5月10日，國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施高海拔宇宙線觀測站（LHAASO，下文稱“拉索”）順利通過國家驗收，這是以宇宙線觀測研究為核心的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。
在海子山海拔4410米的蒼茫高原
這里空曠、寂寥、荒無人煙
卻成為科學(xué)家們“對話”宇宙
破解宇宙線起源謎題的重要場地
“拉索”觀測站怎樣捕捉空氣中的宇宙線？
怎樣繪制一張張精密的“宇宙地圖”？
日前
紅星新聞記者走進位于四川稻城的“拉索”觀測站
揭秘這雙“火眼金睛”究竟如何運轉(zhuǎn)
▲四川省甘孜州稻城縣海子山，高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）
宇宙無限，“信使”有痕無數(shù)粒子正時時刻刻造訪地球
要揭秘高海拔宇宙線觀測站是如何探索宇宙之謎的，首先要了解什么是宇宙線，以及為何要通過宇宙線來探索宇宙。
在我們?nèi)庋劭床灰姷挠钪嫔钐?，無數(shù)粒子正以接近光的速度飛馳，穿過浩淼的宇宙，時時刻刻造訪著地球?！拔覀冄鐾强盏乃查g，可能就已經(jīng)有一百多個繆子降落在身側(cè)，甚至‘穿越’我們的身體?！敝袊茖W(xué)院高能物理研究所研究員、“拉索”工程副經(jīng)理兼總工藝師何會海打了這樣一個比方。
這些產(chǎn)生于宇宙深處的高能“子彈”，就是宇宙線。宇宙線主要由質(zhì)子和多種元素的原子核組成，并包括少量電子和光子。
距離人類如此遙遠，宇宙線的研究意義在哪？
宇宙無限，“信使”有痕。作為太陽系以外唯一的物質(zhì)樣本，宇宙線攜帶著宇宙起源、天體演化、太陽活動及地球空間環(huán)境等重要科學(xué)信息，研究宇宙線及其起源成為人類探索宇宙的重要途徑。
事實上，“拉索”的提出和建設(shè)并不是國內(nèi)宇宙線研究邁出的第一步，中國的宇宙線實驗研究一共經(jīng)歷了三個階段。
1954年，中國第一個高山宇宙線實驗室在云南東川海拔3180米的高山建成；1989年至2000年，在海拔4300米的西藏羊八井相繼啟動了中日合作ASγ實驗、中意ARGO-YBJ實驗。2009年，在香山科學(xué)會議上，曹臻研究員代表團隊提出在高海拔地區(qū)建設(shè)大型復(fù)合探測陣列“拉索”的完整構(gòu)想，這就是第三代高山宇宙線觀測站。
▲四川省甘孜州稻城縣海子山，高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）
為什么要選擇高原進行宇宙線實驗室建設(shè)？海子山又為何能成為第三代高山宇宙線觀測站建設(shè)所在地？
“高山實驗?zāi)軌虺浞掷么髿庾鳛樘綔y介質(zhì)，在地面進行觀測，探測器規(guī)?？蛇h大于大氣層外的天基探測器。由于高能量宇宙線數(shù)量稀少，采用大規(guī)模探測器是唯一觀測手段?！焙螘＝榻B。
經(jīng)過廣泛選址和實地踏勘調(diào)研，“拉索”項目最終落地四川稻城海子山，這離不開海子山便利的交通，平坦的地勢，優(yōu)質(zhì)、豐富的水資源和主干通訊光纖網(wǎng)——能夠?qū)崿F(xiàn)強大的數(shù)據(jù)傳輸與交換能力，實現(xiàn)2.4Gbps的數(shù)據(jù)帶寬，確保“拉索”海量數(shù)據(jù)的收集。
由行蹤溯源頭水切倫科夫探測器陣列實現(xiàn)原初伽馬射線或宇宙線的參數(shù)軌跡重建從無人機的視角看來，坐落于海子山的“拉索”觀測站形似一個“大圓盤”。
“拉索”占地面積約1.36平方公里，由5216個電磁粒子探測器和1188個繆子探測器構(gòu)成的一平方公里地面簇射粒子探測器陣列、78000平方米的水切倫科夫探測器陣列、18臺廣角切倫科夫望遠鏡等三大陣列組成。
從現(xiàn)場觀察，這些設(shè)備并不符合人們對“大科學(xué)裝置”精密、冰冷的固有印象，相反，它們十分“接地氣”。爬到海子山山坡上的觀景臺上遙遙一望，最引人注目的就是呈“品”字形排列的白頂建筑，這就是78000平方米的水切倫科夫探測器陣列。
走進水切倫科夫探測器陣列內(nèi)部，穿過黑暗的人工通道，映入眼簾的是一片在黑暗中看不到盡頭的水池。打開手電筒向水下照射，一個個光電倍增管仿佛舞臺上的照射燈，在水下閃爍著瑩瑩光澤。而這些“照射燈”其實不是“燈”，而是接收從宇宙奔騰而來的粒子在水中產(chǎn)生的信號探測器。
高海拔宇宙線觀測站項目WCDA大尺寸光敏探頭負責(zé)人高博介紹，“水切倫科夫探測器陣列由兩個150米×150米和一個300米×110米的大型全密閉式保溫水池構(gòu)成，水池深4.5米。”記者在內(nèi)部看到，水池由隔光簾分割成3120個5米×5米的單元，每個單元內(nèi)水底放置兩個光電倍增管。而探索宇宙的“秘密武器”就隱藏在這一個個光電倍增管中。
▲四川省甘孜州稻城縣海子山高海拔宇宙線觀測站（LHAASO），水切倫科夫望遠鏡陣列
那么水切倫科夫探測器陣列又是如何精準(zhǔn)觀測宇宙線的呢？水池在觀測中又起到了什么樣的作用？
高博介紹，原初宇宙線進入大氣后產(chǎn)生空氣簇射，產(chǎn)生的次級粒子到達地面在水中產(chǎn)生微弱的切倫科夫光，被池內(nèi)的光電倍增管接收后轉(zhuǎn)換為電信號。而通過對電信號的數(shù)據(jù)分析，就可以重建出原初伽馬射線或宇宙線的到達方向、能量等參數(shù)，實現(xiàn)對伽馬源的高靈敏度觀測，由行蹤溯源頭。
而在此前，“拉索”的水切倫科夫探測器中使用的光電倍增管曾一度被其他國家的供應(yīng)商壟斷，采購成本極高?！拔覈狈揭挂暪九c高能所成功研發(fā)20英寸快響應(yīng)MCP-PMT，打破了國際上單一供應(yīng)商壟斷的局面，‘拉索’的水切倫科夫探測器71%的核心探測單元都使用了這種新型的光敏器件，并將時間響應(yīng)提高了3倍；把觀測閾能從3000億電子伏降低到700億電子伏，大大擴展了觀測能力。”何會海介紹。
未來5-10年“拉索”地面簇射粒子陣列將一直是最靈敏的探測裝置在海拔4410米的海子山上，空氣稀薄冰冷，陽光卻顯得特別刺眼。盡管已經(jīng)到了五月，但海子山上的氣溫還在零度到幾度徘徊，晝夜溫差極大。
可以看出，建設(shè)“拉索”觀測基地并不容易。何會海告訴記者：“當(dāng)時拉索基地建設(shè)的時候更多的不是困難，而是苦。在四千多米海拔的高原，連說話都是‘體力勞動’。一位建筑公司的經(jīng)理被派駐到‘拉索’，在三天的時間內(nèi)又拉又吐又發(fā)高燒，幾乎體驗了所有的高原反應(yīng)。”何會海給出這樣一個數(shù)據(jù)：當(dāng)時建筑單位的人上高原，能夠留下來的只有50%。
再次俯瞰“拉索”觀測基地，環(huán)繞“品”字形水切倫科夫探測器陣列，有數(shù)以千計的“土包包”（繆子探測器）整齊地排列在周邊，占據(jù)了“拉索”基地的絕大部分場地。它們頭戴紅色“抹額”，每個土堆下都埋藏了一個神秘裝置——一個直徑6.8米、高1.2米的混凝土罐體，罐體中放置了裝有超純水的高反射率水袋；土堆旁還排列著更多的綠色“小桌板”（電磁粒子探測器），顯得十分質(zhì)樸。
▲四川省甘孜州稻城縣海子山高海拔宇宙線觀測站（LHAASO），繆子探測器陣列（紅圈土堆）和電磁粒子探測器陣列
1188臺鑒別宇宙線和伽馬射線的繆子探測器與5216臺測量簇射事例的方向和能量的電磁粒子探測器，構(gòu)成了規(guī)模驚人的“拉索”地面簇射粒子陣列。
來自浩渺天空的宇宙線從四面八方奔騰而來，在經(jīng)過大氣層時，與大氣發(fā)生作用并形成空氣簇射，宇宙粒子如同雨點般繽紛落下，擊中散布在陣列中的探測器。而位于4410米高原的“拉索”觀測基地，正好能夠“接住”這場空氣簇射中最多的粒子。
隨著“拉索”地面簇射粒子陣列運行和更多數(shù)據(jù)的積累，更多的超高能伽馬源正在被發(fā)現(xiàn)，在可預(yù)見的未來5-10年，“拉索”地面簇射粒子陣列將一直是超高能段國際上最靈敏的探測裝置。
另一邊，一個個巨大的望遠鏡正隱匿在集裝箱中，等待夜晚的到來。這就是“拉索”三大陣列之一的廣角切倫科夫望遠鏡陣列，陣列共有18臺望遠鏡，每臺主要由5平方米的球面反射鏡和具有1024個像素的硅光電管相機組成。
使用望遠鏡似乎更接近現(xiàn)實意義上“觀測”宇宙的形式。但曾經(jīng)切倫科夫望遠鏡只能在夜晚工作，還一定得是晴朗無月的晚上，否則望遠鏡的“眼睛”將會被太陽光或月光“灼傷”。
“為了增加望遠鏡的有效觀測時間，拉索項目要求在望遠鏡中采用新型硅光電倍增技術(shù)，使得望遠鏡能夠在有月的晚上觀測，大大增加了觀測宇宙線的時間，這也為拉索項目取得研究成果打下了堅實的基礎(chǔ)?！焙螘＝榻B。
邊建設(shè)邊產(chǎn)出截至目前，期刊論文累計約215篇，會議論文約156篇北京時間2022年10月9日21點17分，高海拔宇宙線觀測站、高能爆發(fā)探索者和慧眼衛(wèi)星同時探測到迄今最亮的伽馬射線暴。
在這次觀測中，“拉索”將伽馬射線暴光子最高能量紀錄提升了近20倍，在國際上首次打開了10TeV（萬億電子伏特）波段的伽馬射線暴觀測窗口，這些觀測結(jié)果打破了多項伽馬射線暴觀測紀錄。
▲四川省甘孜州稻城縣海子山高海拔宇宙線觀測站（LHAASO），水切倫科夫望遠鏡陣列里的光電倍增管
事實上，“拉索”在建設(shè)期間就已經(jīng)開展觀測，科學(xué)成果持續(xù)產(chǎn)出?；谄涑叩奶綔y靈敏度，“拉索”在初步運行期間已經(jīng)取得多項突破性的重大科學(xué)成果。截至目前，基于“拉索”項目發(fā)表的期刊論文累計約215篇，會議論文約156篇。
2020年，“拉索”在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)大量超高能宇宙加速器候選天體，并記錄到能量達1.4拍電子伏的伽馬光子（拍=千萬億），這是人類觀測到的最高能量光子，突破了人類對銀河系粒子加速的傳統(tǒng)認知，開啟了“超高能伽馬天文學(xué)”時代。
2021年7月9日，基于拉索觀測站測定標(biāo)準(zhǔn)燭光的超高能段亮度，發(fā)現(xiàn)拍電子伏伽馬輻射的研究成果，由中國科學(xué)院高能物理研究所牽頭的“拉索”國際合作組在《科學(xué)》（Science）上發(fā)表。
這個標(biāo)準(zhǔn)燭光就是由宋朝的司天監(jiān)發(fā)現(xiàn)并記錄的“客星”（也就是著名的天體蟹狀星云）?！袄鳌边€記錄到能量達1.1拍電子伏的伽馬光子，由此確定在大約僅為太陽系1/10大小的星云核心區(qū)內(nèi)存在能力超強的電子加速器，加速能量達到了人工加速器產(chǎn)生的電子束的能量兩萬倍左右。
“拉索”的自主創(chuàng)新和國際合作，完成了多項關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)。
在技術(shù)創(chuàng)新方面，“拉索”項目發(fā)展了基于“小白兔”技術(shù)、適應(yīng)4000米以上高海拔野外工況的大面積、多節(jié)點、高精度時鐘同步技術(shù)，遠距離同步精度提升到0.2納秒，達到國際領(lǐng)先水平；在海量數(shù)據(jù)獲取技術(shù)上取得顯著進步，發(fā)展并實現(xiàn)了“無觸發(fā)”數(shù)據(jù)獲取，對數(shù)據(jù)傳輸率高達4GB/s的宇宙線事例實現(xiàn)“零死時間”觀測；采用特殊的數(shù)據(jù)篩選技術(shù)，對海量數(shù)據(jù)進行無損壓縮，實現(xiàn)從四川海子山到北京高能所的實時數(shù)據(jù)傳輸。
發(fā)生在遙遠宇宙深處的神秘故事
還在繼續(xù)被“拉索”用地球的語言記錄和書寫
宇宙是未知的
但被“拉索”探測到的部分
變成了我們已知的世界
引自紅星新聞2023.5.11版 原地址：https://static.cdsb.com/micropub/Articles/202305/3dc727d0dcddea6262feba9bc53d80e4.html?wxopenid=oBCTzjkhfvfzluUIsrD4jrnPpel4
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