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粒子|稻城有个“孔方兄” 专捕“天外来客”

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【粒子|稻城有个“孔方兄” 专捕“天外来客”】
粒子|稻城有个“孔方兄” 专捕“天外来客”
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最后一个缪子探测器的建成 ， 标志着高海拔宇宙线观测站的缪子探测器阵列主体工程完工 。 四川日报全媒体采访人员 徐莉莎 摄
它
是捕捉“天外来客”的神器
助力于破解“新世纪科学研究的世纪谜题”
是我国“十二五”期间启动的国家重大科技基础设施项目
它就是高海拔宇宙线观测站（LHAASO）
□四川日报全媒体采访人员 徐莉莎
2020年12月6日 ， 海拔4410米的稻城海子山 ， 经过两年半的建设 ， 高海拔宇宙线观测站（LHAASO）项目迎来两个重大节点 。
其一 ， 观测站最后一个缪子探测器建成投用 ， 标志着观测站的缪子探测器阵列主体工程完工 。
其二 ， 观测站四分之三规模的阵列正式“上岗” ， 包括917个缪子探测器与4008个电磁粒子探测器 ， 标志着我国已建成世界上高能伽马探测灵敏度最高的观测站 。
这些神秘的探测器是怎么运行的？近日 ， 采访人员走进稻城高海拔宇宙线观测站为你揭秘 。
去年6月5日 ， 本报一篇名为《稻城深山有一座宇宙空间“天气预报站”》的报道 ， 为你介绍了中国空间天气科学领域首个国家重大科技基础设施项目——东半球空间环境地基综合监测子午链（简称“子午工程”）的二期稻城项目的情况 。 今天 ， 我们再次带你走进同在稻城的另一个国家重大科技基础设施项目——高海拔宇宙线观测站（LHAASO）……
高原“天网”捕捉粒子“阵雨”
从航拍图上看 ， 占地1.36平方公里的高海拔宇宙线观测站就像一枚铜钱 ， 放置在群山之间 ， 科学家们戏称它为“孔方兄” 。
项目2017年开始建设 ， 建设周期为4年 ， 所以现在“铜钱”的西北角还有部分残缺 。 中国科学院高能物理研究员、电磁粒子探测器阵列分总体副主任盛祥东告诉采访人员 ， 观测站共有4种探测器阵列 ， 其中包括5195个电磁粒子探测器、1188个缪子探测器、3000路水切伦科夫探测器单元以及18台广角切伦科夫望远镜 。
4种探测器在高原组成“天网” ， 用复合、精确的测量手段 ， “捕捉”从外太空进入地球大气层的“天外来客” ， 对它们进行全息式的“体测” ， 测量它们的能量、种类、几何信息等指标 。
这些“天外来客”就是宇宙线粒子 。 为什么科学家们要在高海拔地区建设探测器？这要从“天外来客”进入大气层后的变化说起 。 据盛祥东介绍 ， 宇宙线粒子进入大气层后 ， 会和大气中的原子核发生相互作用 ， 产生许多次级粒子；次级粒子继续和大气中的原子核相互作用产生新的次级粒子……如此重复 ， 最终次级粒子数可达百亿个 ， 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 。
而粒子“阵雨”在抵达地面的过程中 ， 会被大气层“吞噬”一部分 。 因此 ， 在高海拔地区布局探测器 ， 就是为了抢在大气层“吞噬”前 ， 捕捉到更多的次级粒子 ， 获取更多信息 。 各单元的探测器通过闪烁体、水、大气等转换介质 ， 将粒子“阵雨”在介质中沉积的能量转化成光子 ， 再经光电倍增管接收放大后 ， 通过光电转化 ， 变成我们熟悉的电信号读出并记录 。
分析粒子“阵雨”携带的信息 ， 就能分析出原初宇宙线与大气的相互作用 ， 反推原初粒子的性质 ， 开展相关物理研究 。
土堆下的缪子探测器
行走在观测基地 ， 一个个36平方米大小的“土堆”就是缪子探测器 。 在整个基地中 ， 这样的探测器有1188个 。 据中科院高能所副研究员、缪子探测器阵列分总体副主任肖刚介绍 ， 它主要用于测量粒子“阵雨”中的缪子含量 。
土层用来屏蔽次级粒子中的电磁成分 ， 土堆下是一个直径6.8米、高1.2米的混凝土罐体 。 罐体中放置了装有超纯水的高反射率水袋 ， 当缪子进入水体 ， 在水中产生切伦科夫光 ， 水袋顶部中心的光电倍增管 ， 将接收的光信号放大 ， 再转化为电信号进行测量 。
缪子探测器处于十分复杂的地形地貌之中 ， 其设计施工也面临挑战 。 部分探测器处于沼泽区域 ， 它们在雨季长期处于水线以下 ， 极容易渗水 。 海子山最大昼夜温差达到30多摄氏度 ， 而罐体内的温差年变化不能超过5摄氏度；内部放置的水袋 ， 经过长途运输、压差变化、吊装铺设 ， 也面临着防渗漏的难题 。
缪子探测器阵列主体工程自2018年开始建设以来 ， 设计、施工单位在诸多细节上进行了针对性的技术攻关 ， 成功完成主体建设 。 目前 ， 已投用的1077个探测器无一渗漏 。
随着主体工程的完成 ， 剩余的111个缪子探测器的超纯水灌注以及探测器调试等工作将在今年春季完成 。 届时 ， 整个缪子探测器阵列将全部投入运行 。
从“天外来客”探知宇宙奥秘
宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子 。 盛祥东告诉采访人员 ， 由于大气层的保护 ， 高能粒子的能量在穿过大气层的过程中 ， 大部分都被吸收了 ， 人体感知不到“天外来客”的造访 。
但这些“沉默不语”的“客人” ， 又非常重要 。 作为来自外太空的唯一物质样品 ， 宇宙线携带着其产生地“源”天体及其经过空间的宇观环境 ， 乃至天体演化及宇宙早期的奥秘 ， 因此被科学家认为是传递“宇宙大事件”的信使和发现“宇宙加速器”的探针 。
人类研究宇宙线高能粒子的历史已超百年 ， 相关研究获得了5枚诺贝尔奖牌 ， 但它的起源和加速机制等依然未能完全解释 。 美国国家科学技术委员会将其确定为“新世纪科学研究的11个世纪谜题”之一 。
2008年 ， 建设一个大型高海拔宇宙线观测站的项目开始了前期预研 。 历时6年 ， 科学家在我国高海拔地区进行了广泛选址和实地踏勘调研 ， 最终选定了稻城县海子山平均海拔为4410米的高地作为观测站站址 。
据悉 ， 观测站剩下的1187个电磁粒子探测器将于今年7月完工 ， 实现全阵列科学观测 。
背景
3个世界第一
到2021年建成后 ， 中国高海拔宇宙线观测站将成为世界范围内的宇宙线研究中心之一 ， 并占有“三个世界第一” 。 项目硬件总负责人何会海说 ， 一是在1万亿电子伏特附近的甚高能伽马射线巡天探测方面 ， 灵敏度世界第一；二是100万亿电子伏特附近的高能伽马射线探测方面 ， 灵敏度世界第一；三是三类探测器复合 ， 覆盖的宇宙线能量测量范围世界最广 。
探测阵列只需布局到一定大小就可以开始观测 ， 2018年年底 ， 仅建成四分之一的LHAASO已经是世界上最大的同类宇宙线观测阵列 。
3个发展阶段
中国的高山宇宙线实验室经历了3个发展阶段 。 60多年来 ， 经过三代物理学家的不懈努力 ， 我国已迈入国际宇宙线研究领域的“第一梯队” 。
上世纪50年代建立的云南落雪山宇宙线实验站 ， 是中国第一个高山宇宙线实验室 ， 先后安装了多板云室、磁云雾室和大云室组 ， 为我国粒子物理研究奠定基础 。
1987年 ， 高能所开始在西藏羊八井建设国际宇宙线观测站 ， 此中建设的中日合作广延大气簇射阵列（ASγ）和中意合作全覆盖探测阵列（ARGO-YBJ） ， 是国际四大超高能γ天文和超高能宇宙线研究阵列之一 。
第三代高山宇宙线实验室 ， 就是目前在建的高海拔宇宙线观测站——“拉索（LHAASO）” 。
科普
一把“钥匙”打开两个世界
宇宙线又称宇宙射线 ， 是来自宇宙的高能粒子流的总称 ， 其成分包括质子和各种原子核 ， 还有少量的光子、中微子、电子等 。 在靠近地球的太空中 ， 每分钟约有一个宇宙线穿过一枚硬币大小的面积 ， 人类对这些肉眼看不见的“天外来客”浑然不觉 。
1912年 ， 奥地利物理学家赫斯发现了宇宙线的存在 。 这些来自深空的粒子携带着比可见光光子高几百万倍的能量 ， 为科学家们送来打开微观世界的“钥匙” 。
1932年, 美国物理学家安德森在宇宙线径迹中首次发现了反物质——带正电荷的电子 。 此后 ， 粒子物理学问世 ， 并由此产生了多枚诺贝尔奖牌 。
宇宙线的精妙之处 ， 还在于它如同一座桥梁 ， 联系着微观世界与浩渺宇宙 。
“宇宙线的粒子传播到地球 ， 包含着许多信息 。 人类研究这些‘信号’ ， 进而对物质的性质展开推断 。 ”高海拔宇宙线观测站项目首席科学家、中国科学院高能物理研究所研究员曹臻说 。
疑问
“天外来客”的出生地
在哪里？
宇宙线是组成物质本身的粒子直接传播到地球 ， 包含着许多电磁波无法传递的信息 ， 被形象地称为“宇宙陨石” 。 1912年被发现 ， 但迄今为止人类仍未发现其起源 。
南京大学天文与空间科学学院教授王祥玉介绍 ， 科学家已经发现 ， 超新星遗迹、星暴星系、银河系中心的超大质量黑洞等 ， 都具有产生宇宙线的条件 ， 但究竟哪一个是其“出生地”还不得而知 。
上海天文台研究员王仲翔一直在研究银河系内的宇宙线 。 他举例说 ， 宇宙线是穿越历史的“信使” 。 公元1006年宋朝期间 ， 曾有一颗超新星闪耀天空 ， 亮度最强时白天可见；1000多年后 ， 科学家们仍在研究这颗超新星遗迹中快速移动的粒子会不会是宇宙线的前身 ， 解答“来自宋朝的问候” 。
科学家们介绍 ， 人类已经有办法加速粒子 ， 然而宇宙线粒子的最高能量 ， 相当于人类用加速器产生的最高能量粒子的10亿倍 。 高海拔宇宙线观测站项目首席科学家、中国科学院高能物理研究所研究员曹臻说 ， 利用目前的加速能量 ， 我们已经发现了描述世界物质构成的“标准模型”中所有的基本粒子 ， 包括新近发现的“上帝粒子” 。 如果想看到更多的物理现象 ， 就必须依赖更高的加速办法 。 探索高能宇宙线的起源是一个可能获得突破的方向 。
观测宇宙线的“十八般兵器”
有哪些？
曾有人形象地比喻：每过一分钟 ， 才约有一个宇宙线穿过一枚硬币大小的面积 ， 这一肉眼看不见的“天外来客” ， 如何精准捕捉？曹臻说 ， 可以“下海” ， 在水底安装中微子望远镜；可以“上山” ， 在高海拔搭建观测站；也可以“上天” ， 用粒子探测卫星寻找 。
“宇宙线的研究非常困难 。 宇宙线是带电粒子 ， 碰到宇宙中无处不在的磁场就会偏转 。 科学家尽量选择光子和中微子作为研究对象 ， 作为宇宙射线的伴生物 ， 这两种粒子是沿直线传播的 ， 比较易于用来回溯到产生地 。 ”王祥玉说 。
俄罗斯高能天体物理学家詹·阿里是超高能中微子实验“G吨体积探测器”项目的负责人 。 他所采用的方法 ， 是通过置放于贝加尔湖下1300米的多个探测器 ， 接收宇宙线中微子信号 。
詹·阿里介绍 ， 冬天贝加尔湖的冰层在60-90厘米厚 ， 有时能达120厘米 。 科学家驾车在冰层上打洞 ， 用锚链将探测器坠到湖里 ， 布置在750米至1300米深处；探测到的信号会通过电缆传到位于水下30米左右的汇集器 ， 再经过湖底电缆传输到3公里远的岸边数据中心 。
美国高能天体物理学家韦恩·施普林格则是将300大桶左右的水置放在北美第三高山海拔4100米的山坡上 ， 形成高海拔水基切伦科夫伽马射线天文台 ， 每24小时能看到2/3的天空 。 “30万年前 ， 名为‘Geminga’的中子星爆炸后形成了脉冲星 ， 其粒子流还在来访 。 ”
日本东京大学教授政廣手嶋是在位于海拔2200米的西班牙拉帕尔玛岛 ， 利用两架名为“魔术”的切伦科夫望远镜观测 ， 目前可以观测200多个高能伽马射线源 。 （据新华社）

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