高海拔宇宙线观测站位于海拔4410米的稻城 ， 之所以要建在青藏高原的边缘地带 ， 是因为这里离文明社会更近 。 这个阵列有4种主要的探测器 ， 通过它反推出宇宙线的粒子到达的方向 ， 就能指引科学家找到想观测的天体 。 但是仅仅找到宇宙线的起源并没有解决最根本的问题 ， 它为什么会产生这么高的能量？宇宙线来自什么地方？研究宇宙线又有什么意义？
出品：格致论道讲坛
以下内容为中国科学院高能物理研究所研究员曹臻演讲实录：
大家好 ， 我是高能物理研究所的曹臻 ， 今天我想跟大家分享一下在我们已知的世界和未知世界的边界上 ， 科学的前沿研究到底是怎么开展的 。
我用实验、粒子、天体、物理来概括这次演讲 。 这4个词放在一起看比较复杂 ， 我希望通过这次演讲让大家了解到 ， 科学研究其实并没有那么复杂 。
靠近世界屋脊的“天阵”
举个例子 ， 高海拔宇宙线观测站 ， 实际上是一个1.3平方千米的天阵 ， 这个天阵所在地原来是非常原始的无人区 。 为什么要去那么高的地方建观测站呢？观测站位于海拔4410米的美丽的稻城 。
这里地处青藏高原的边缘地带 。 稻城的海拔高度适合做科学研究而且靠近世界屋脊的边缘地带 ， 离文明社会更近 ， 更容易做这件事 。
现在大家知道了 ， 稻城不仅有美丽的亚丁风景区 ， 还有探索宇宙奥秘的LHAASO的阵列 。 我们在这里建设这个阵列就是为了迎接携带着宇宙秘密的信使 。
这张图是英国的《自然》杂志采访人员采访我之后 ， 回去自己画的一张图 ， 我感觉很神奇 ， 他居然能理解得这么准确 ， 把我们的阵列描述得非常清晰 。
这个阵列有4种主要的探测器 ， 研究者把它摆成各种各样形状的阵列 ， 来等待宇宙线从天上来到地球 。
实际上 ， 阵列准备迎接的是一场“雨” ， 这场雨不是水滴 ， 而是粒子 ， 而且这场雨持续的时间非常短 ， 只有几纳秒 。 我们将探测器排列起来 ， 就是为了迎接它们的到来 。
这张图就显示了我刚才说的这个过程 。
当这场“雨”落在阵列上的时候 ， 一个一个的探测器就开始“着火” ， 一“着火”就记录下时间 ， 每一个探测器的距离是已知的 ， 我们就可以通过它反推出宇宙线的粒子到达的方向 。
如果宇宙线粒子能反推出来找到一个源的话 ， 就能指引科学家找到想观测的那个天体了 。
阵列中的4个探测器分别是：电磁粒子探测器、缪子探测器、水切伦科夫探测器、广角切伦科夫望远镜阵列 。
下面是目前阵列的建设情况 ， 可以看到已经形成一个比较清晰的阵列了 。
这个阵列的大小仅为整个阵列的1/4 ， 中间比较亮的金属房顶下有一个非常大的水池 ， 这个水池的面积为300米×300米 ， 水深5米 ， 以水作为探测介质 。
下面这几张图显示一个由30多个探测器组成的阵列 。
利用这个阵列 ， 我们在半年多的时间内已经收到超过1亿个宇宙线粒子 ， 观测和测量的结果非常好 ， 完全实现了当初设计的一些目标 。
整个1/4的阵列 ， 大概在这个月月底就应该可以进入到观测的状态 。
这中间的大水池一共由三个部分组成 ， 其中一个是150米×150米的大型探测装置 ， 该装置已经进入了科学运行 。 其实 ， 在安装的过程中 ， 宇宙线粒子就已经可以被探测到了 。
当它装好后不久 ， 我们就测量到一个漂亮的“事例” ， 这个“事例”正好是这段时间内测量到的一个最大的“事例” 。
特别有意思的是 ， 这次测量恰好在2月14日 ， 所以我们就把这个事例命名为“情人节事例” 。
左边这个图是“情人节事例”探测器在它灌水之前的状况 。 看上去有点凌乱 ， 但实际上最主要的装置是中间这个亮亮的光电倍增管 。
当5米深的水灌好之后 ， 再要进行维护 ， 就必须要划船进去了 。
未来 ， 这两个大的探测器将使用一个更加先进的大型的光电倍增管 。
这个光电倍增管比现在放的1号水池里的管子要大得多 ， 是我们国家去年研制成功的一个非常先进的探测装置 。 我们这里还有几台望远镜 。
望远镜是用来探测宇宙线在大气中发展过程的一个记录装置 。 目前我们已经安置了6台拥有先进技术的望远镜 ， 布置在大水池的旁边 ， 可以随时进行观测 。
这些望远镜用到一个非常高级的技术——硅光电管 ， 现在我们用到的硅光电管的面积是世界上最大的 。
今年 ， 我们1/4的阵列基本上建成了 。 当时我们在成都举办了一个发布会 ， 也是探索装置启动的一个启动会 ， 吸引了国际上大量科学媒体的关注 ， 像《自然》《科学》 ， 还有英国的《物理世界》杂志 ， 国内的新闻媒体更加关注这件事 。
探索装置启动后不久就测量到一个非常漂亮的事例 ， 下图右边的都是用水池做到的观测 ， 左边是两个望远镜对这个事例同时进行的一个观测 ， 这表明我们的望远镜已经进入到一个非常正常的运行状态 。
为何建设宇宙线观测站
在这里建站的目的是什么？为什么要跑到很远的地方做这件事？从历史上看这个探测器到底占据了什么样的地位？
实际上为了做这件事 ， 我们从20世纪50年代初期 ， 长我两辈的科学家张文裕和王淦昌就开始了我国的宇宙线探索 。
“八五”期间 ， 科学家到羊八井找到了一块平坦开阔的地方 ， 我们跟日本人和意大利人合作 ， 又做了两个探测器 ， 2013年我们停止了这两个探测器的运行 。
从那时起 ， 我们就进入到下一个阶段 。 这个阶段处于“十二五”期间 ， 科学家们找到一个更好的地方 ， 在四川的稻城建设一个更大的探测器 。
与国际上的同类探测器比较 ， 我们的LHAASO有什么特点呢？
美国有一个类似的探测器 ， 也是摆成阵列形式的探测器 ， 设置在海拔4100米的地方 ， 位于墨西哥的一个雪山上 。
这个探测器相当于我们一个水池的大小 ， 明年年底我们的探测器完全建好之后 ， 将是它的4倍 。
中间的水切伦科夫探测器 ， 我们原来历史上在羊八井也做过一个类似的东西 ， 就是ARGO实验 ， 这个实验的面积只相当于这么大一个面积 ， 我们也做出了很重要的发现 ， 可见这个探测器将来会对这个领域产生非常大的影响 ， 后面我会讲它在国际上的地位 。
这个实验不是我一个人在做 ， 而是一个团队在做 。
我国大概有25家单位已经参与到这个研究工作中 ， 在北京、南京、上海以至于西南地区都有研究所和大学参与到这个研究中 。
瑞士、法国、泰国、俄罗斯等国家的四五个单位也加入到我们的研究课题 。
一大群人跑到一个非常偏远的地方 ， 去做一件非常艰难的事 。
比如 ， 去年 ， 安装1号水池的工作时间大概3个多月 ， 几乎天天都是在零下4℃的环境下做这件事 。
为什么这么艰苦 ， 还有这么多人要干这件事呢？
实际上我们都是在追求一个宇宙线的核心的问题的解决：我们从100多年前就知道了有宇宙线存在 ， 但迄今为止我们仍然不知道宇宙线来自什么地方 。
宇宙线还有一个非常重要的特点 ， 就是它的能量非常非常高 ， 高到什么程度？远高于现在人工能加速出来的粒子的能量 。
目前能量最高的粒子是由瑞士和法国边界上的CERN加速器加速出来的 ， 这个加速器曾经证实了“上帝粒子”的存在 ， 而宇宙线的能量要比它高出几千万倍 。
为什么宇宙里有这样的加速器？为什么它们能加速这么高能量的粒子 ， 是怎么加速的？
这个领域主要是由中微子探测技术、高能量的宇宙线探测技术以及伽马射线天文组成 ， 形成了三足鼎立之势 ， 四个大实验则支撑起了这个领域 。
伽马射线天文领域的观测探测器有两个 ， 其中一个是我们的LHAASO ， 另外一个是欧洲人的CTA ， 这个实验到现在还没有正式开始建设 。
我们该如何探索宇宙线呢？实际上 ， 就是找到一些天体 ， 看它是不是有能力产生极高能量的粒子 。
首先 ， 我们要瞄准一些活动非常剧烈的天体 。 大家知道 ， 太阳肯定是产生了大量的粒子变化 。
太阳能产生很多很多低能量的宇宙线粒子 ， 但它产生的能量相当于我们在北京正负电子对撞机产生出来能量 。
这个能量等级对我们来说已经不是很稀奇 ， 我们的关注点在能量更高的粒子 。
当比太阳大上很多倍的恒星烧完它的氢燃料之后就会爆炸 ， 当质量大到一定程度的时候就会发生超新星爆发 。
在宋代1006年发生了超新星爆发 ， 形成了非常强烈的喷柱的抛射现象 ， 这很可能就是我们找到加速粒子的地方 。
其实 ， 我们也在亲历一次超新星爆发 。 1987年 ， 在银河系边上名为大麦哲伦云的地方 ， 发生了一次超新星爆发 。
在银河系中 ， 超新星的爆发大概是100年才有一次 ， 所以我们是非常有幸地亲历了这次超新星的爆发 。
今天再看这个超新星的时候 ， 它已经形成一个非常漂亮的圆圈了 ， 就是这个喷射物已经喷射出来了 。
宋朝的时候 ， 人们也记录了一个非常亮的超新星 ， 那次超新星爆发是在银河系里发生的 ， 现在已经发展成一片星云 ， 叫蟹状星云 。
我们银河系的中心有非常巨大的黑洞 ， 这个黑洞的质量可以达到太阳质量的300万～400万倍 。
这样的黑洞会不断吸积物质 ， 同时也会喷射物质 ， 喷射出的物质也可能造成粒子加速的过程 。
还有没有更大的黑洞呢？
有很多 ， 在宇宙里 ， 比银河系中心的黑洞大100倍的黑洞仍然存在 。 我们在羊八井的观测站里已经很清楚地看到这样的现象 。
它在不断吞噬恒星物质过程中也会喷射出物质 ， 如果突然吞进去太多的物质 ， 喷射出来的物质也很强烈 。
这时候就会形成一个一个爆发现象 ， 这些爆发现象也给我们提供了一个研究宇宙线起源的机会 。
比黑洞规模更大的活动 ， 就是两个星系碰撞在一起 。 最近大家看新闻可能会了解到 ， 仙女星系跟我们银河系正处在相互接近、靠拢的过程 。
下图就是在哈勃望远镜拍到其他的两个星系碰到一起之后 ， 形成的碰撞的区域 。
右边这张图是碰撞区域里 ， 物质交换非常强烈的一个区域 ， 此处恒星的死亡和恒星的产生速度都非常快 ， 我们叫恒星形成区 。
这些区域里有可能产生强烈的磁场和电场 ， 有可能产生能量更高的粒子 。
最近 ， 引力波已经被探测到 。 当两个黑洞撞在一起的时候会产生强烈的引力波 。
如果是两个中子星碰撞的话 ， 这个碰撞过程就会产生一个非常强烈的现象——伽马暴 ， 就会喷射出非常强烈的伽马射线 。
伽马暴是单个的爆发过程 ， 这是我们目前所知道的能量释放最快、最大的一种现象 。
宇宙线的秘密
宇宙线给我们带来的秘密到底是什么呢？首先 ， 我们想知道：它是从哪里产生的 。
通过寻找这些可能的源 ， 找到足够的证据 ， 我们就能确定它的来源 。
最好的结果是 ， 我们能找到一把“冒烟的枪”（它刚刚打中了一个人 ， 还在冒着烟）就找到了最坚实的证据 ， 从而推测宇宙线的起源 。
但是 ， 仅仅找到宇宙线的起源并没有解决最根本的问题 ， 根本的问题还是它为什么会产生这么高的能量？
这里给了两个英文词汇 ， Pevatron、Eevatron ， Pevatron的意思是1015电子伏特 ， 而Eevatron是比Pevatron高1000倍的加速器 。
我们虽然没有找到这样的加速器 ， 但我们观测到被它们加速出来的粒子到达地球上 。
举例来说 ， 刚才提到的蟹状星云 ， 我们现在看到的星云是它爆炸抛出来的物质 ， 爆炸后留下来的物质就形成了一个脉冲星 。
这个脉冲星周长20千米左右 ， HIA在飞快地旋转 ， 它在旋转过程中发出的辐射扫过我们地球时就产生了脉冲信号 。
人类现在能加速到最高能量的加速器就是位于瑞士和法国边境的CERN ， 它背后是漂亮的日内瓦湖 ， 这个加速器的周长为27千米 。
它现在能加速到的能量就是我们讲的Teratron（1012电子伏特加速器）,就是可以将粒子加速到Tera电子伏特 。
【蟹状星云|银河系神秘的蟹状星云，原来是宋朝恒星爆炸的“残留”？】这个脉冲星的周长大概也是20千米左右 ， 跟人类的加速器差不多 。
在西班牙 ， 科学家通过一个名为MAGIC的实验 ， 用望远镜对这个现象进行观测之后 ， 现在已经有足够的证据证明 ， 这个脉冲星上也能够发出Tera电子伏特的粒子来 ， 而且现在还不断有证据表明我们可能还会探测到更高能量的粒子 。
也就是说 ， 太空中的一个自然的加速器 ， 可能要比人类能造出的加速器产生的能量高得多 。
我跟大家分享宇宙的科学前沿探索过程 ， 实际上也从一个侧面告诉大家 ， 人类目前的知识还是非常有限的 ， 还有很多未知的东西需要去探索 。
广袤的宇宙包含了无穷的奥秘 ， 我们永远都在探索奥秘的征途之上 。
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