吳曉穎　王迪　董瑞豐

四川甘孜藏族自治州稻城縣海子山，平均海拔4110米。在散落著數(shù)米寬巨石的曠野上，一塊有10個(gè)足球場(chǎng)大的圓形區(qū)域已經(jīng)成型，挖土機(jī)忙著挖出3個(gè)“品”字形、深4.5米的巨型水池。

正在建設(shè)的是國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施—高海拔宇宙線觀測(cè)站（LHAASO），預(yù)計(jì)2018年年底部分投入運(yùn)行。它的主要使命是捕獲高能的宇宙線并分析其來(lái)源和機(jī)理。這塊1.36平方公里的荒蕪高原，將成為人類破解宇宙演化秘密的最先進(jìn)“探針”。

宇宙線：一把“鑰匙”打開(kāi)微觀、宇觀兩個(gè)世界

宇宙線又稱宇宙射線，是來(lái)自宇宙的高能粒子流的總稱，其成分包括質(zhì)子和各種原子核、還有少量的光子、中微子、電子等。在靠近地球的太空中，每分鐘約有一個(gè)宇宙線穿過(guò)一枚硬幣大小的面積，人類對(duì)這些肉眼看不見(jiàn)的“天外來(lái)客”渾然不覺(jué)。

1912年，奧地利物理學(xué)家赫斯發(fā)現(xiàn)了宇宙線的存在。這些來(lái)自深空的粒子攜帶著比可見(jiàn)光光子高幾百萬(wàn)倍的能量，為科學(xué)家們送來(lái)打開(kāi)微觀世界的“鑰匙”。

1932年，美國(guó)物理學(xué)家安德森在宇宙線徑跡中首次發(fā)現(xiàn)了反物質(zhì)—帶正電荷的電子。此后，粒子物理學(xué)問(wèn)世，并由此產(chǎn)生了多枚諾貝爾獎(jiǎng)牌。

宇宙線的精妙之處，還在于它如同一座橋梁，聯(lián)系著微觀世界與浩渺宇宙。

“宇宙線的粒子傳播到地球，包含著許多信息。人類研究這些‘信號(hào)，進(jìn)而對(duì)物質(zhì)的性質(zhì)展開(kāi)推斷。”高海拔宇宙線觀測(cè)站項(xiàng)目首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員曹臻說(shuō)。

曹臻說(shuō)，作為來(lái)自外太空的唯一物質(zhì)樣品，宇宙線攜帶著其產(chǎn)生地“源”天體及其經(jīng)過(guò)空間的宇觀環(huán)境，乃至天體演化及宇宙早期的奧秘，是人類探索宇宙的重要途徑?？茖W(xué)家因此將其稱為傳遞“宇宙大事件”的“信使”。

“捕捉”宇宙線，叩問(wèn)世界之謎

一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，人類對(duì)宇宙線的探索手段可謂“上天”“入地”“下海”。

天上，用衛(wèi)星、空間站在大氣層外或大氣層頂部直接探測(cè)宇宙線；地面，在世界屋脊建西藏羊八井大型地面探測(cè)裝置；海底，在南極冰層下2400米深處安裝巨型中微子望遠(yuǎn)鏡。

雖然探索從未間斷，但關(guān)于這些粒子的“身世”，以及什么樣的物理過(guò)程才能把它們加速到如此高的能量等問(wèn)題一直成謎。在國(guó)際物理學(xué)界列出的“21世紀(jì)11個(gè)科學(xué)問(wèn)題”中，宇宙線起源之謎位列第五。

“宇宙線起源之所以難尋找，主要是在宇宙線粒子成分中，絕大多數(shù)是帶電粒子。”高海拔宇宙線觀測(cè)站項(xiàng)目副經(jīng)理、中科院高能物理研究所研究員何會(huì)海說(shuō)，宇宙中到處都是磁場(chǎng)，帶電粒子在穿過(guò)太空時(shí)受其影響改變了方向，丟失了發(fā)源地的方向信息。

“宇宙線中的伽馬射線和中微子不帶電，在磁場(chǎng)中穿行不受磁場(chǎng)的偏轉(zhuǎn)，可以指向源的方向。此外，高能量粒子在宇宙磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)微小到可以忽略，也可以用來(lái)探尋其源頭。”何會(huì)海說(shuō)，在地面觀測(cè)中，伽馬射線、中微子、極高能粒子成為尋找宇宙線源的理想“信使”。

由此，也形成了當(dāng)今國(guó)際三大宇宙線研究中心，即位于南美的極高能宇宙線觀測(cè)站、南極的中微子天文觀測(cè)站、歐洲的伽馬天文觀測(cè)站。

“但目前還沒(méi)有一個(gè)被證實(shí)產(chǎn)生了宇宙線，這正是中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)的機(jī)遇所在?！辈苷檎f(shuō)。

中國(guó)LHAASO：創(chuàng)三個(gè)世界第一

到2021年建成后，中國(guó)高海拔宇宙線觀測(cè)站將成為世界范圍內(nèi)的宇宙線研究中心之一，并占有“三個(gè)世界第一”：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測(cè)量范圍。

中科院高能物理研究所副所長(zhǎng)羅小安說(shuō)，自1954年在云南東川落雪山建立全國(guó)首個(gè)高山宇宙線實(shí)驗(yàn)室起，60多年來(lái)，經(jīng)過(guò)三代物理學(xué)家的不懈努力，我國(guó)已邁入國(guó)際宇宙線研究領(lǐng)域的“第一梯隊(duì)”。

LHAASO項(xiàng)目之所以選擇在甘孜稻城縣，是因?yàn)檫@里具有極佳的觀測(cè)條件：高海拔、靠近機(jī)場(chǎng)、穩(wěn)定的電力和通訊條件，并擁有充足的水資源，還得到了當(dāng)?shù)氐拇罅χС帧?/p>

LHAASO總占地面積1.36平方公里，密集的探測(cè)器陣列如同在高原上拉起一張“天網(wǎng)”，對(duì)超高能伽馬射線具有極強(qiáng)的“捕捉”能力。觀測(cè)基地中心是水切倫科夫探測(cè)器陣列，由三個(gè)“品”字排列的大水池組成，每個(gè)水池里都放有探測(cè)器，用來(lái)觀察粒子“陣雨”在水中產(chǎn)生的光。

離水切倫科夫探測(cè)器陣列不遠(yuǎn)處是廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列，由12臺(tái)望遠(yuǎn)鏡組成。5195個(gè)電磁粒子探測(cè)器和1171個(gè)繆子探測(cè)器則整齊地排列在水切倫科夫探測(cè)器陣列周圍，如同撒在一張大餅上的芝麻，組成了地面簇射粒子陣列。

“宇宙線粒子進(jìn)入大氣層后，如同炮彈擊中大氣中的原子核，產(chǎn)生了許多次級(jí)粒子，落在地面時(shí)就像粒子‘陣雨?！辈苷檎f(shuō)，通過(guò)對(duì)粒子“陣雨”的分析，反推原初宇宙線粒子的性質(zhì)，開(kāi)展相關(guān)物理研究。

探測(cè)陣列只需布局到一定大小就可以開(kāi)始觀測(cè)，到2018年年底，僅建成四分之一的LHAASO將是世界上最大的同類宇宙線觀測(cè)陣列。

（本文轉(zhuǎn)自新華網(wǎng)）endprint