宇宙線是來自浩瀚宇宙深處的高能粒子，攜帶著宇宙起源、天體演化等重要科學(xué)信息。然而，宇宙線的起源問題一直是世紀(jì)之謎，研究宇宙線及其起源成為人類探索宇宙的重要途徑。
國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施高海拔宇宙線觀測(cè)站拉索（LHAASO）5月10日順利通過國(guó)家驗(yàn)收，投入正式運(yùn)行。坐落在四川省甘孜州稻城縣的拉索是世界海拔最高、規(guī)模最大、靈敏度最強(qiáng)的伽馬射線探測(cè)裝置，在初步運(yùn)行期間就已經(jīng)取得驚艷成果。拉索都建設(shè)了哪些具有超能力的“探測(cè)神器”？未來又將如何望宇問天、探尋宇宙奧秘？
屹立世界屋脊，尋找宇宙線起源
拉索觀測(cè)站全陣列建設(shè)完成（中科院高能物理研究所供圖）
四川省甘孜州稻城縣，海拔4410米，在青藏高原最大的古冰體遺跡海子山上，坐落著世界海拔最高、規(guī)模最大、靈敏度最強(qiáng)的伽馬射線探測(cè)裝置——高海拔宇宙線觀測(cè)站拉索的觀測(cè)基地。高海拔宇宙線觀測(cè)站總工藝師、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員何會(huì)海介紹，觀測(cè)基地占地面積約1.36平方公里，相當(dāng)于190個(gè)足球場(chǎng)大小。
何會(huì)海：進(jìn)行我們這個(gè)能段的宇宙線觀測(cè)最好的海拔是4000米到5000米，4500米左右是最好的。世界上能夠找到這樣一塊地并不容易，我們選址是要有很多條件的，除了4000米到5000米的海拔，因?yàn)槲覀冞€有光學(xué)的設(shè)備，所以有一定的光學(xué)觀測(cè)條件的要求，要有足夠平的一塊地方，要求是落差不超過正負(fù)50米，這個(gè)場(chǎng)地的落差大概在30米。
高海拔宇宙觀測(cè)站拉索（記者劉夢(mèng)雅/攝）
宇宙線是來自宇宙深處的高能粒子，在看似“透明”的星際空間，宇宙線如同“信使”，攜帶著宇宙起源、天體演化、太陽活動(dòng)及地球空間環(huán)境等重要科學(xué)信息，以接近光速的速度飛行，像雨點(diǎn)一樣散落在地球上，留下極其細(xì)微的蛛絲馬跡。然而，宇宙線的起源問題一直是世紀(jì)之謎，研究宇宙線及其起源也成為人類探索宇宙的重要途徑。高海拔宇宙線觀測(cè)站首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員曹臻介紹，拉索的一項(xiàng)重要使命就是尋找宇宙線的起源。
曹臻：宇宙線核心的問題是起源的問題，作為宇宙的一個(gè)組成部分，發(fā)現(xiàn)100多年之后仍然沒有找到它的源頭。要精確測(cè)量候選天體，比如說像超新星、黑洞這些天體，去尋找可能的宇宙線起源，包括起源的位置和它的特點(diǎn)。主要的手段就是通過伽馬射線的觀測(cè)，能夠找到它們存在的證據(jù)，同時(shí)還要精確測(cè)量宇宙線的成分和它的強(qiáng)度，這樣我們就可以把整個(gè)宇宙線基本的核心問題搞清楚。
拉索觀測(cè)站上方的星空（中科院高能物理研究所供圖）
四大“探測(cè)神器”捕捉宇宙線的“蛛絲馬跡”
從空中俯瞰，拉索就像是一個(gè)“大圓盤”，在這個(gè)圓盤之中布置了由四種類型探測(cè)器組成的三大探測(cè)器陣列，1188個(gè)繆子探測(cè)器、5216個(gè)電磁粒子探測(cè)器、78000平方米的水切倫科夫探測(cè)器陣列、18臺(tái)廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡……各類“探測(cè)神器”各顯神通又互為補(bǔ)充，共同捕捉高能粒子雨的每一個(gè)雨點(diǎn)。
由繆子探測(cè)器和電磁粒子探測(cè)器構(gòu)成的地面簇射粒子探測(cè)器陣列（記者劉夢(mèng)雅/攝）
觀測(cè)站中，最引人注目的當(dāng)屬放眼望去的一個(gè)個(gè)排列整齊、扎著“紅頭繩”的“土堆”，以及散落其中頂著“綠頭巾”的“盒子”。這些“土堆”便是繆子探測(cè)器，“綠盒子”則是電磁粒子探測(cè)器，它們共同構(gòu)成地面簇射粒子探測(cè)器陣列，用來探測(cè)能量稍高的宇宙線。繆子探測(cè)器陣列分總體主任、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員肖剛介紹，每個(gè)占地約36平方米的“土堆”內(nèi)置了裝有超純凈水的高反射率水袋，最長(zhǎng)設(shè)計(jì)使用壽命為20年。
肖剛：繆子探測(cè)器建設(shè)過程中最難的地方就在于穩(wěn)定性，在如此高的海拔建設(shè)這么大面積的陣列，要求保持10年到20年。要求每年的設(shè)備完好率為95%，通過我們一系列的設(shè)計(jì)、質(zhì)量控制和運(yùn)行維修，2022年達(dá)到了99.6%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過要求了。
注水前的水切倫科夫探測(cè)器陣列（中科院高能物理研究所供圖）
在拉索觀測(cè)站靠近“大圓盤”的中間位置，建有三個(gè)密閉的“大水池”，這里面藏著水切倫科夫探測(cè)器陣列。當(dāng)宇宙線產(chǎn)生的次級(jí)粒子進(jìn)入水池里的純凈水時(shí)，會(huì)發(fā)出微弱的切倫科夫光，將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，科研人員才可以進(jìn)行測(cè)量和研究。水切倫科夫探測(cè)器陣列分總體主任、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員陳明君介紹，這個(gè)探測(cè)器陣列約有2.5個(gè)“水立方”大小，形如“大燈泡”的國(guó)產(chǎn)20英寸超大型光電倍增管的大規(guī)模應(yīng)用，使其成為最靈敏的伽馬巡天探測(cè)裝置。
陳明君：水切倫科夫探測(cè)器陣列現(xiàn)在每天的數(shù)據(jù)獲取量是11TB，拉索90%以上或者說絕大部分的數(shù)據(jù)都是由這個(gè)探測(cè)器陣列產(chǎn)生的。
廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列（中科院高能物理研究所供圖）
就在“大水池”的旁邊，18臺(tái)外殼由集裝箱改造而成的廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡，以“抬頭仰望天空”的姿態(tài)排列著。每臺(tái)望遠(yuǎn)鏡主要由5平方米的球面反射鏡和具有1024個(gè)像素的硅光電管相機(jī)組成，望遠(yuǎn)鏡的仰角能夠在0度到90度的范圍內(nèi)調(diào)整，可移動(dòng)底盤的設(shè)計(jì)更是使望遠(yuǎn)鏡可以在不同的位置布置。何會(huì)海介紹，這些望遠(yuǎn)鏡可以對(duì)宇宙線能譜進(jìn)行高精度測(cè)量，相比于傳統(tǒng)上在強(qiáng)光下容易損壞的普通光電倍增管相機(jī)，新型硅光電管的使用使得望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)不再局限于“沒有月亮的夜晚”。
何會(huì)海：我們采用這種技術(shù)之后，用硅光電倍增管相機(jī)陣列取代了光電倍增管相機(jī)陣列，就可以把望遠(yuǎn)鏡的運(yùn)行時(shí)間增加一倍。對(duì)于我們這種研究來說，增加了科學(xué)運(yùn)行的時(shí)間，也就提高了探測(cè)器測(cè)量的靈敏度，就會(huì)增大科學(xué)產(chǎn)出。
完成多項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，獲得突破性重大科學(xué)成果
基于“小白兔”技術(shù)也就是高精度時(shí)鐘同步技術(shù)，實(shí)現(xiàn)將遠(yuǎn)距離同步精度提升到0.2納秒；采用特殊的數(shù)據(jù)篩選技術(shù)，對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行無損壓縮，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸……通過自主創(chuàng)新和國(guó)際合作，拉索項(xiàng)目完成了多項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)。
宇宙無限，而“信使”有痕。由我國(guó)自主設(shè)計(jì)的拉索于2017年開始建設(shè)，2021年7月正式建成，并投入穩(wěn)定運(yùn)行。拉索采取“邊建設(shè)、邊運(yùn)行”的模式，在初步運(yùn)行期間，就已經(jīng)是重大科學(xué)成果頻出——發(fā)現(xiàn)了銀河系中廣泛存在拍電子伏加速器，并觀測(cè)到最高能量光子；精確測(cè)定了標(biāo)準(zhǔn)燭光的超高能段亮度，挑戰(zhàn)高能天體物理中電子加速的標(biāo)準(zhǔn)模型；探測(cè)到迄今最亮的伽馬射線暴，打破了多項(xiàng)觀測(cè)記錄。曹臻表示，這一系列成果表明，拉索裝置整體性能可靠，具備長(zhǎng)期穩(wěn)定的科學(xué)運(yùn)行能力，對(duì)促進(jìn)我國(guó)在粒子天體物理領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大原創(chuàng)突破、帶動(dòng)交叉學(xué)科發(fā)展具有重要意義。
曹臻：拉索充分利用世界屋脊的高海拔優(yōu)勢(shì)，建成了世界上靈敏度最高的超高能伽馬射線裝置，設(shè)施的綜合性能達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，這是國(guó)際上公認(rèn)的。拉索的成功建設(shè)，使它成為國(guó)際上三大粒子天體物理標(biāo)志性或者說支柱性的探測(cè)裝置之一，使我國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域里穩(wěn)穩(wěn)當(dāng)當(dāng)占據(jù)領(lǐng)先地位，同時(shí)我們還可以為開展大氣、氣象、空間環(huán)境等前沿科學(xué)交叉研究提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
引自央廣網(wǎng)2023.5.11版 原地址：https://china.cnr.cn/yaowen/20230511/t20230511_526248176.shtml
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