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原标题:高海拔宇宙线观测站开工在即:捕捉无限宇宙中的“信使”

光明日报记者 齐芳

6月4日清晨,四川省稻城县突降雨雪。就在这雨雪中,在海拔4410米的海子山,我国又一项大科学工程高海拔宇宙线观测站(LHAASO)即将全面开工建设。在占地1.36平方公里的圆形区域内,科学家们将布置三个阵列、四种探测器:水切伦科夫探测器阵列,由3个大型水池构成,布置3000路探测单元,阵列面积为7.8万平方米;地面簇射粒子阵列,由5195路电磁粒子探测器和1171路缪子探测器组成;广角切伦科夫望远镜阵列,由12台宽视场切伦科夫成像望远镜组成。

LHAASO首席科学家、项目经理,中国科学院高能物理研究所研究员曹臻站在高处俯瞰工地:“LHAASO的建设周期为4年,核心目标是探索宇宙线起源。建成后,它将是世界上探测最高能量的伽马射线最灵敏的探测器。”

宇宙线:携带宇宙深层奥秘的高能粒子

高能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,并包括少量电子和光子。曹臻说:“宇宙线弥漫在整个宇宙,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。自1912年被发现以来,研究宇宙线及其起源是人类探索宇宙的重要途径。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,诞生了5位诺贝尔奖得主。”

曹臻这样描述宇宙线的重要作用:它是“银河陨石”,是传递“宇宙大事件”的信使,是发现“宇宙加速器”的探针。

之所以称其为“银河陨石”,曹臻说:“陨石是我们了解地外天体的重要样本,但我们迄今没办法得到太阳系外特别是银河系外其他天体的样本。于是,它们发射出的宇宙线,就成了我们了解银河系的窗口。”

LHAASO项目副经理、中国科学院高能物理研究所研究员何会海介绍,高能量的宇宙线粒子,可能产生于剧烈的宇宙事件,“比如超新星爆发、巨大星系中心的超大规模黑洞爆发等事件,可能产生宇宙线。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”。

宇宙线是高能粒子的唯一来源。曹臻解释,人类用电子对撞机能够产生高能粒子。“但宇宙线中高能粒子的能量远超出最高能量对撞机所能产生的粒子,比北京正负电子对撞机粒子能量高1000亿倍。”曹臻说,“这个"宇宙加速器"究竟在哪儿?是什么加速原理?我们能不能把这种原理应用到未来对撞机的建设中?”

核心目标:解开宇宙线起源的世纪谜题

据曹臻介绍,LHAASO有三个科学目标:探索宇宙线起源、对伽马射线源进行巡天普查、暗物质探测等新物理前沿研究。“探索宇宙线起源是LHAASO的核心目标,这也是现代物理学中最基础的问题之一,被称为世纪谜题。”

探索宇宙线起源很难,因为绝大多数宇宙线是带电粒子,在传播过程中会因星际或星际磁场的作用发生偏转,到达地球时已经丧失了原初的方向信息,所以无法反推发射出宇宙线的源天体,从而无法研究其产生的机制和加速原理。

为了解决这个问题,科学家们发展出三种测量中性粒子的方法:极高能宇宙线粒子、超高能中微子和甚高能伽马射线。曹臻说,极高能宇宙线粒子和超高能中微子事例极为稀少,探测困难,仍处于起步阶段,目前的最优方法就是探测甚高能伽马射线。

LHAASO是第三代伽马天文探测器,与位于西藏羊八井的宇宙线观测站为代表的第一代和第二代伽马射线巡天望远镜相比,不仅更大,而且更加先进。类似众多先进技术让中国科学家们更有底气。曹臻说:“科学研究能否成功有机遇的成分。但我们相信,LHAASO对解决宇宙线起源和机制之谜形成强有力的冲击。”

三个世界领先:打造国际宇宙线研究中心

伽马天文学领域的国际竞争非常激烈,但中国科学家们对LHAASO很有信心。曹臻介绍,LHAASO将在三个方面达到世界领先水平。一是具有超高能伽马射线探测灵敏度,在高于1012电子伏特的能量区域,LHASSO比欧洲计划高十几倍,能够长期占据这类实验研究领域的制高点。二是具有甚高能伽马射线巡天普查灵敏度,比美国HAWC实验灵敏度高三四倍。三是具有宽广能量覆盖度的宇宙线能谱和成分精确测量装置。

站在4410米的高原上,看着远处正在筹备开工的人们,曹臻说,LHAASO将建设有强大国际竞争力、独具特色、综合开放的科学研究平台,与现有的国际三大宇宙线研究中心——位于南美的3000平方公里的极高宇宙线AUGER实验,南极的立方公里中微子ICECUBE实验,欧洲的伽马天文定点观测CTA装置,一起成为该领域支柱性实验装置,并形成极好的互补。

曹臻说:“LHAASO将在国际上形成强大的吸引力,会在提高伽马射线测量的空间分辨率、拓展对极高能宇宙线观测能力等方面形成国际合作,在短时间内吸引国内外新的实验加盟。LHAASO将成为国际领先水平的高海拔宇宙线研究中心之一。”

(光明日报四川稻城6月5日电 )

《光明日报》( 2017年06月06日 06版)

作者:2017年06月06日 06版来源光明网-《光明日报》)

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来源:嘉兴在线—嘉兴日报    作者:摄影 记者 冯玉坤    编辑:李源    责任编辑:胡金波
 
 
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