宇宙线观测站将在海拔4410米高地建设,捕捉太阳系外信使

李大庆/科技日报

2017-06-13 18:39

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6月4日,在四川省甘孜州稻城县的海子山上,中科院高能物理所研究员曹臻站在一块花岗岩漂砾上,指着前方开阔平坦的山地说,大约4年后,这里将建成一座高海拔宇宙线观测站(LHAASO),它将是世界上覆盖能量范围最大的宇宙线探测设备。
LHAASO即将全面开工。
LHAASO观测基地设计模型。 中国经济网 图
高能宇宙线 开启了解银河系的窗口
宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子,其能量跨度为109—1020电子伏特,主要由质子和多种元素的原子核组成,并且还包括少量电子和光子。它弥漫于宇宙当中,时刻存在于我们的星球上。LHAASO首席科学家、项目经理曹臻说,宇宙线是“银河陨石”,是传递宇宙大事件的“信使”,是地球上存在的太阳系以外的唯一物质样本。迄今为止我们没办法获得太阳系外特别是银河系以外的其他天体的样本,因此这些天体发射出的宇宙线,就成了我们了解银河系的窗口。宇宙线携带着宇宙起源、天体演化、太阳活动及地球空间环境等重要科学信息,研究宇宙线及其起源是人类探索宇宙的重要途径。
1912年,奥地利科学家赫斯首次发现宇宙线。100多年来,在宇宙线的研究中,发现了许多基本粒子,开创了粒子物理学,还诞生了6位与此相关研究的诺贝尔奖得主,人类却始终没有解开宇宙线的起源之谜。
因而,宇宙线的起源一直是科学界公认的重大前沿问题,在欧美科学决策机构凝练出的6个或11个基础科学难题中均位列前5。
从上世纪末至今,经过各国科学家的努力,已发现宇宙中有180多个伽马射线源天体,它们有可能是宇宙线的候选源。
LHAASO项目副经理、中科院高能物理所研究员何会海说,高能量的宇宙线粒子,可能产生于剧烈的宇宙事件,像超新星爆发、黑洞爆发、巨大星系之间的碰撞等,都可能产生宇宙线,都是我们找源的对象。目前的研究结果显示,超过1018电子伏特的粒子都应该是来源于银河系外,研究宇宙线能让我们知道宇宙中究竟发生了什么。
“宇宙线粒子具有极高的能量。”何会海以最高能量的宇宙线质子为例介绍,其质量仅10-24克,但其动能却与运动员李娜打出的时速150公里的网球相当。
目前人类用电子对撞机已经能够产生高能粒子。但宇宙线中高能粒子的能量远超出人类研制的最高能量对撞机所能产生的粒子,其能量比北京正负电子对撞机粒子的能量还要高1000亿倍。这么高的能量是怎么产生的?是什么加速原理?
正是这些不可思议对科学家产生了巨大的吸引力。
三大阵列数千个探测器 协同溯源宇宙线
怎样才能捕获神奇的宇宙线粒子呢?
何会海首先描绘了宇宙线粒子进入地球的过程。
高能的宇宙线粒子进入地球大气层后,会和大气中的原子核,例如氮或氧的原子核发生相互作用,粒子就像炮弹一样把原子核打碎。其结果是这个原子核和炮弹一起会变成一堆的次级粒子。这些次级粒子仍然携带着很高的能量,继续与大气中的原子核发生同样的相互作用,又把别的原子核打碎,产生了更次级的粒子。如此重复十几次,这是一个指数增长的过程,产生许多次级粒子,最终次级粒子数可达百亿,在空气中像一场粒子“阵雨”瞬间散布在数平方公里的面积上。科学家把这个过程称为簇射。
簇射产生的粒子几乎都是以光速在跑,众多的次级粒子几乎是同时到达。
何会海说,LHAASO要建造许多的探测器。当簇射发生时,只要一个粒子打到探测器上,探测器就弱弱地闪一下。如果几十个、几百个探测器同时闪了一下,科学家就知道天上来了一个能量非常高的粒子。
LHAASO占地2040亩。科学家计划在观测站内布置几千个探测器。它们分为3个阵列。
第一阵列是由5195个电磁粒子探测器和1171个缪子探测器组成的地面簇射粒子阵列。5195个电磁粒子探测器按边长15米的正三角形点阵来排布,同时在2.5米的土下每隔30米布设1个缪子探测器。第二阵列是水切伦科夫探测器,是一个深4.5米、占地78000平方米的纯净水水池,完全密封,水底布置3000路探测单元。第三阵列是12台广角切伦科夫望远镜。这三类探测器阵列彼此联动,组成巨大的复合探测装置。
首席科学家曹臻说,LHAASO的具体科学目标是探索高能宇宙线起源,研究宇宙线加速和传播机制,同时开展全天区伽马源扫描搜索,积累各种源的统计样本,探索其高能辐射机制。科学家还将利用LHAASO探寻暗物质、量子引力或洛仑兹不变性破坏等新物理现象,发现新规律。
“LHAASO的3大探测阵列互相配合,有望破解宇宙线起源难题。”对此曹臻充满了信心。
LHAASO为何选址 海拔4410米四川稻城海子山
通过在我国高海拔地区的广泛选址和实地踏勘调研,LHAASO最终选定位于四川稻城海子山、平均海拔为4410米的高地作为观测基地。
何会海说,宇宙线粒子在穿越大气层时会被大气吸收。因而海拔高、空气稀薄的地方,探测器就能捕获到更多的宇宙线粒子。国际科技界普遍认为,南美的安第斯山脉和中国的青藏高原更适合高能粒子观测,它们都在海拔4000米以上。
除了方便观测之外,LHAASO选定稻城海子山也与稻城的生活设施有一定关系。交通上,距离LHAASO仅10公里的地方就是稻城的民用机场。对于科学家来说,到LHAASO工作、考察等活动不必舟车劳顿。
在LHAASO工作的科学家和工作人员住在哪里?这也不用担心。稻城县城距离LHAASO只有50公里,并且海拔一下子就降到了3750米,吃住都比较方便。因此项目中有一部分就是在稻城县城建设LHAASO的测控基地和生活基地。
(原标题:在海拔4410米高地,张网捕捉太阳系外“信使”)
责任编辑:李跃群澎湃新闻报料:4009-20-4009   澎湃新闻,未经授权不得转载
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