全球觀測“宇宙焰火” 宇宙線觀測站將叩問世界之謎

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

　　正在建設的是國家重大科技基礎設施——高海拔宇宙線觀測站（LHAASO），預計明年年底部分投入運行。它的主要使命，是捕獲高能的宇宙線并分析其來源和機理。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“探針”。

　　宇宙線：一把“鑰匙”打開微觀、宇觀兩個世界

　　宇宙線又稱宇宙射線,是來自宇宙的高能粒子流的總稱，其成分包括質子和各種原子核、還有少量的光子、中微子、電子等。在靠近地球的太空中，每分鐘約有一個宇宙線穿過一枚硬幣大小的面積，人類對這些肉眼看不見的“天外來客”渾然不覺。

　　1912年，奧地利物理學家赫斯發現了宇宙線的存在。這些來自深空的粒子攜帶著比可見光光子高幾百萬倍的能量，為科學家們送來打開微觀世界的“鑰匙”。

　　1932年, 美國物理學家安德森在宇宙線徑跡中首次發現了反物質——帶正電荷的電子。此后，粒子物理學問世，并由此產生了多枚諾貝爾獎牌。

　　宇宙線的精妙之處，還在于它如同一座橋梁，聯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’,進而對物質的性質展開推斷。”高海拔宇宙線觀測站項目首席科學家、中國科學院高能物理研究所研究員曹臻說。

　　曹臻說，作為來自外太空的唯一物質樣品，宇宙線攜帶著其產生地“源”天體及其經過空間的宇觀環境，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。科學家因此將其稱為傳遞“宇宙大事件”的“信使”。

　　“捕捉”宇宙線 叩問世界之謎

　　一個多世紀以來，人類對宇宙線的探索手段可謂“上天”“入地”“下海”。

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

　　雖然探索從未間斷，但關于這些粒子的“身世”，以及什么樣的物理過程才能把它們加速到如此高的能量等問題一直成謎。在國際物理學界列出的“21世紀11個科學問題”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,絕大多數是帶電粒子。”高海拔宇宙線觀測站項目副經理、中科院高能物理研究所研究員何會海說，宇宙中到處都是磁場，帶電粒子在穿過太空時受其影響改變了方向，丟失了發源地的方向信息。

　　“宇宙線中的伽馬射線和中微子不帶電，在磁場中穿行不受磁場的偏轉，可以指向源的方向。此外，高能量粒子在宇宙磁場中的偏轉微小到可以忽略,也可以用來探尋其源頭。”何會海說，在地面觀測中，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，也形成了當今國際三大宇宙線研究中心，即位于南美的極高能宇宙線觀測站、南極的中微子天文觀測站、歐洲的伽馬天文觀測站。

　　“但目前還沒有一個被證實產生了宇宙線，這正是中國科研團隊的機遇所在。”曹臻說。

　　中國LHAASO：創三個世界第一

　　到2021年建成后，中國高海拔宇宙線觀測站將成為世界范圍內的宇宙線研究中心之一，并占有“三個世界第一”：最高的高能伽馬射線探測靈敏度、最靈敏的甚高能伽馬射線巡天探測、最寬廣的宇宙線能量測量范圍。

　　中科院高能物理研究所副所長羅小安說，自1954年在云南東川落雪山建立全國首個高山宇宙線實驗室起，60多年來，經過三代物理學家的不懈努力，我國已邁入國際宇宙線研究領域的“第一梯隊”。

　　LHAASO項目之所以選擇在甘孜稻城縣，是因為這里極佳的觀測條件：高海拔、靠近機場、穩定的電力和通訊條件，并擁有充足的水資源，還得到了當地的大力支持。

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

　　離水切倫科夫探測器陣列不遠處是廣角切倫科夫望遠鏡陣列，由12臺望遠鏡組成。5195個電磁粒子探測器和1171個繆子探測器則整齊地排列在水切倫科夫探測器陣列周圍，如同灑在一張大餅上的芝麻，組成了地面簇射粒子陣列。

　　“宇宙線粒子進入大氣層后，如同炮彈擊中大氣中的原子核，產生了許多次級粒子，落在地面時就像粒子‘陣雨’。”曹臻說，通過對粒子“陣雨”的分析，反推原初宇宙線粒子的性質，開展相關物理研究。

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