在平均海拔4410米的四川稻城海子山，有一片規(guī)模龐大、排列整齊的設(shè)施，從飛機上往下看就像一個整齊的圓盤陣列，在陽光照耀下會閃閃發(fā)亮，這就是高海拔宇宙線觀測站“拉索”（LHAASO）。5月10日，這一國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施順利通過國家驗收。
占地面積約1.36平方公里的“拉索”相當(dāng)于190個標(biāo)準(zhǔn)足球場那么大，是由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。它是以宇宙線觀測研究為目標(biāo)的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，也是世界上最靈敏的超高能伽馬射線探測裝置。
為什么要建設(shè)這個陣列
之所以要建設(shè)這樣一個陣列，是為了回答一個百年未解之謎。
1912年，奧地利科學(xué)家赫斯帶著電離室在乘高空氣球測定空氣電離度的實驗中，發(fā)現(xiàn)了來自地球以外的一種穿透性極強的“宇宙射線”。宇宙線是宇宙構(gòu)成的一部分，因其攜帶宇宙起源、天體演化的秘密，猶如信使一般，被稱為“宇宙信使”。但自從宇宙線被發(fā)現(xiàn)以來，卻始終沒有發(fā)現(xiàn)宇宙線是從哪里來的？為什么它們的能量這么高，遠遠高于人工加速器能夠加速的粒子能量。這些根本問題一直困擾著人類，宇宙線起源問題也被國際物理學(xué)界列為“新世紀(jì)11個科學(xué)問題”之一。
為了揭開這些問題的謎底，我國科學(xué)家相繼在上世紀(jì)50年代啟動云南落雪山宇宙線實驗室（海拔3180米）、在80年代啟動西藏羊八井國際宇宙線觀測站（海拔4300米），長期在高海拔的雪域高原上進行宇宙線探索研究。如今，位于海拔4410米的四川稻城海子山，已建成的“拉索”是我國第三代高山宇宙線觀測站，探測靈敏度已達到國際領(lǐng)先水平，核心科學(xué)目標(biāo)就是要去探索高能宇宙線起源這個世紀(jì)之謎。
為什么建在海拔4410米的高原上
為了解開宇宙線起源這一科學(xué)問題，科學(xué)家們展開了“上天入地”的探索，從空間站、衛(wèi)星，到高山、深海、深地，都布置有宇宙線探測的實驗設(shè)備。
高山實驗充分利用大氣作為探測介質(zhì)、在地進行宇宙線探測，優(yōu)勢是其探測器的規(guī)模遠大于大氣層外的天基探測器，能在短時間內(nèi)獲得較高的實驗統(tǒng)計量，從而實現(xiàn)高靈敏度觀測宇宙線。宇宙線到達地球后會與大氣層中的原子核發(fā)生相互作用而產(chǎn)生很多次級粒子，發(fā)生廣延大氣簇射現(xiàn)象，如同一場次級粒子“陣雨”一般?！袄鳌笨茖W(xué)家關(guān)注的宇宙線能量在TeV（萬億電子伏特）以上，這么高能量的粒子在大氣中產(chǎn)生的次級粒子“陣雨”，在4000多米的位置發(fā)展到極大，因此在這個海拔高度探測宇宙線最合適。
“拉索”充分利用了我國青藏高原這一世界屋脊的優(yōu)越地理優(yōu)勢，成為目前世界上最靈敏的超高能伽馬射線探測裝置、世界上靈敏度最高的甚高能伽馬射線源巡天普查望遠鏡，以及能量覆蓋范圍最寬的超高能宇宙線復(fù)合式立體測量系統(tǒng)。
為什么選址四川稻城的海子山
一個以觀測為實驗手段的科學(xué)設(shè)施，其成功首先取決于選址。我國科學(xué)家在四川、西藏、青海、云南等地展開了長達6年的艱難跋涉，最終于2014年選址確定在四川省稻城縣海子山。
選址于此則是基于多方面的原因：一是大面積的探測器陣列布局建設(shè)與安裝，需要地勢平坦，正負高差不能超過50米，而此處落差僅30米；二是交通便利，距離國道僅百米之遙，只需11小時就可到達成都，距離稻城亞丁機場約10公里；三是主干通訊光纖網(wǎng)距站址200米處通過，強大的數(shù)據(jù)傳輸與交換能力，能實現(xiàn)2.4Gbps的數(shù)據(jù)帶寬，確保設(shè)施海量數(shù)據(jù)收集；四是優(yōu)質(zhì)水源豐富，特別適合大量使用水為探測介質(zhì)的“拉索”探測器設(shè)計，實現(xiàn)了5萬立方超純水、40萬立方超凈水的備制與灌注，建成了國際上規(guī)模最大的同類水切倫科夫探測裝置；五是后勤保障設(shè)施建在距離約50公里的稻城縣城區(qū)，這里有宿舍、食堂、辦公樓、測控樓等科研與生活設(shè)施，當(dāng)?shù)蒯t(yī)療條件滿足需求，有利于觀測站可持續(xù)發(fā)展。
建設(shè)過程中就取得多項突破性成果
由于“拉索”建在海拔4410米的雪域高原，高寒缺氧，冬季施工困難，每年施工期只有半年。為克服環(huán)境對工程的影響、充分利用觀測資源，科學(xué)家們采取了“邊建設(shè)，邊運行”的思路，冬季期間對已建設(shè)的探測器陣列進行調(diào)試運行。2021年，利用僅建成一半規(guī)模的“拉索”所獲得的觀測數(shù)據(jù)，就取得了多項突破性的重大科學(xué)成果。
首先，“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，并記錄到人類觀測到的最高能量光子。由此，“拉索”將伽馬天文的研究帶入了人類從未觀測過的新波段，即光子能量高于0.1PeV（1PeV=1000萬億電子伏特）的所謂超高能伽馬射線波段，繼已經(jīng)活躍了30年的“甚高能伽馬射線天文學(xué)”之后，開啟了“超高能伽馬射線天文學(xué)”的新時代。
不久，“拉索”又精確測定了標(biāo)準(zhǔn)燭光蟹狀星云的超高能段亮度，發(fā)現(xiàn)1千萬億電子伏伽馬輻射，直逼經(jīng)典電動力學(xué)和理想磁流體力學(xué)理論所允許的加速極限。這些結(jié)果相繼發(fā)表在國際頂級期刊《自然》和《科學(xué)》上，一個充滿新奇未知現(xiàn)象的超高能伽馬宇宙已逐漸浮現(xiàn)在全世界科學(xué)家的眼前。
如今，“拉索”已順利建成進入全陣列觀測狀態(tài)，由于其具備領(lǐng)先的探測靈敏度，必然會有新的發(fā)現(xiàn)隨之而來?？蒲腥藛T已嚴(yán)“陣”以待，維持設(shè)施超高有效的運行時間，24小時守候著更多驚人秘密的宇宙信使到來?！袄鳌笨蒲腥藛T將一步步推開這些蘊藏著謎底的密室大門，打開鎖著謎底的百寶箱，不懈地努力探索每一個超高能伽馬輻射現(xiàn)象背后的物理機制，直到破解宇宙線起源之謎。
?。ㄗ髡呦抵袊茖W(xué)院高能物理研究所工程師）
引自《科普時報》2023.5.26版 原地址：http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjwzb/html/2023-05/26/content_553869.htm?div=-1
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