海拔4410米 宇宙线观测站将叩问世界之谜

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新华社成都6月6日电:海拔4410米的宇宙射线天文台将揭开世界的神秘面纱

新华社记者吴晓鹰、王迪、董瑞峰

四川省甘孜藏族自治州道城县海子山，平均海拔4110米。在散落着几米宽巨石的荒野中，已经形成了一个有十个足球场的圆形区域，挖掘机正忙着挖掘出三个“货物”形状、深度为4.5米的巨大水池。

正在建设中的是国家重大科技基础设施——高空宇宙射线观测站(lhaaso)，预计将于明年年底投入运行。它的主要任务是捕捉高能宇宙射线并分析其来源和机制。这片1.36平方公里的贫瘠高原将成为人类破解宇宙进化秘密的最先进的“探测器”。

宇宙射线:一把“钥匙”打开了微观和宇宙两个世界

宇宙射线，也称为宇宙射线，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，以及少量的光子、中微子、电子等。在地球附近的泰空，每分钟大约有一条宇宙射线穿过一个硬币大小的区域，而人类对这些看不见的“耳语”浑然不觉。

1912年，奥地利物理学家赫斯发现了宇宙射线的存在。这些来自空深处的粒子携带着比可见光光子高数百万倍的能量，给科学家们带来了打开微观世界的“钥匙”。

1932年，美国物理学家安德森首次在宇宙射线轨迹中发现反物质——带正电的电子。在那之后，粒子物理学问世了，并且产生了许多诺贝尔奖。

宇宙射线的微妙之处在于，它们充当桥梁，将微观世界与广阔的宇宙联系起来。

“宇宙射线粒子扩散到地球，包含了大量的信息。人类研究这些“信号”，然后推断物质的性质。”中国科学院高能物理研究所研究员、高空宇宙线观测项目首席科学家曹真说。

曹真说，作为空外滩唯一的实物样本，宇宙射线携带着它们起源的“源”天体，穿越空的宇宙环境，甚至天体的演化和早期宇宙的奥秘，这是人类探索宇宙的重要途径。因此，科学家称它为“信使”，传递“宇宙中的大事件”。

“捕捉”宇宙射线，探索世界的奥秘

一个多世纪以来，探索宇宙射线的手段可以描述为“天”、“地”和“海”。

在天空中，站在大气层之外或大气层顶部，用卫星和空直接探测宇宙射线；在地面上，在世界屋脊上为西藏羊八井建造大型地面探测装置；在海底，一个巨大的中微子望远镜安装在南极冰盖下2400米的深处。

尽管探索从未停止过，但这些粒子的“起源”以及什么样的物理过程可以将它们加速到如此高的能量一直是个谜。在国际物理学界列出的21世纪的11个科学问题中，宇宙射线起源之谜排名第五。

“宇宙射线的起源很难找到的原因是大多数宇宙射线粒子都是带电粒子。”中国科学院高能物理研究所研究员、高空宇宙线观测站副项目经理何会海说，宇宙中到处都有磁场，带电粒子通过空台时会改变方向，失去出生地的方向信息。

“宇宙射线中的伽马射线和中微子是不带电荷的，它们在磁场中行进而不会被磁场偏转，并且可以指向源的方向。此外，宇宙磁场中高能粒子的偏转可以忽略不计，也可以用来探索其来源。”何慧海说，在地面观测中，伽马射线、中微子和高能粒子已经成为寻找宇宙射线源的理想“信使”。

结果，形成了三个国际宇宙射线研究中心，即南美洲的甚高能宇宙射线天文台、南极洲的中微子天文台和欧洲的伽马天文台。

“但目前还没有人被证实产生了宇宙射线，这是中国研究团队的机会。”曹真说道。

在中国:创造三个世界中的第一

2021年建成后，中国高空宇宙线观测站将成为世界宇宙线研究中心之一，在高能伽马射线探测灵敏度最高、超高能伽马射线天空测量探测灵敏度最高、宇宙线能量测量范围最广三个世界中占据首位。

中国科学院高能物理研究所副所长罗说，自1954年在云南省东川罗雪山建立第一个山地宇宙线实验室以来，经过三代物理学家60多年的不懈努力，中国已进入国际宇宙线研究的“第一梯队”。

lhaaso项目选择在甘孜州道城县，是因为其优越的观测条件:海拔高，靠近机场，电力和通讯条件稳定，水资源丰富，当地支持强。

Lhaaso占地1.36平方公里。密集的探测器阵列就像在高原上拉起一个“天网”，它有很强的“捕捉”超高能伽马射线的能力。在观察基地的中心是水切伦科夫探测器阵列，它由三个以“货物”形状排列的大水池组成。每个水池都配有一个探测器，用来观察水中粒子“淋浴”产生的光。

离水切伦科夫探测器阵列不远的是由12个望远镜组成的广角切伦科夫望远镜阵列。5195个电磁粒子探测器和1171个子木探测器整齐地排列在水切伦科夫探测器阵列周围，就像芝麻撒在一个大蛋糕上，形成一个地面簇射粒子阵列。

“宇宙射线粒子进入大气层后，就像炮弹一样击中大气层中的原子核，产生许多次级粒子。当它们落在地上时，就像是粒子的“阵雨”曹真说，通过对粒子“簇射”的分析，推断出原始宇宙线粒子的性质，并进行相关的物理研究。

检测阵列只需要布置到一定的尺寸就可以开始观察。到2018年底，只有四分之一的lhaaso已经建成，这已经是世界上最大的宇宙射线观测阵列。