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【科技日報】捕捉高能粒子 大科學工程LHAASO探索宇宙奧秘

文章來源:科技日報 李大慶   發布時間:2019-06-28  【字號:     】  

  今年4月27日,來自中國、美國、日本、德國、法國、意大利、俄羅斯、瑞士等國的專家、學者共同來到海拔4410米的四川省稻城縣海子山,現場考察正在建設中的高海拔宇宙線觀測站(LHAASO)。令他們沒有想到的是,這個主體工程于2017年6月才開始動工的觀測站,首批探測器已經投入科學觀測了。

  LHAASO是“十二五”期間啟動的國家重大科技基礎設施項目。2015年12月獲得國家發改委批準立項,總投資約12億元,系我國自主研發。整個觀測設施由電磁粒子探測器陣列、繆子探測器陣列、水切倫科夫探測器陣列、廣角切倫科夫望遠鏡陣列等組成。它的目標是捕捉宇宙中飛來的高能粒子。

  按照建設計劃,LHAASO到2021年才能全部完工。可到今年4月底,由1800個探測器組成的、靈敏面積達22500平方米的一號水切倫科夫探測器陣列,兩臺廣角切倫科夫望遠鏡,180臺電磁粒子探測器和80個繆子探測器已經建好,具備了初步的觀測條件。迫不及待的科學家們采用了邊建設邊運行的模式開始了他們的科學探索之旅。

  高能的宇宙線是來自宇宙空間的高能粒子,其能量跨度為109—1020電子伏特,主要由質子和多種元素的原子核組成,并包括少量電子和光子。LHAASO首席科學家、項目經理,中科院高能物理所研究員曹臻說,宇宙線彌漫在整個宇宙中,它攜帶著宇宙起源、天體演化、太陽活動及地球空間環境等多種重要的科學信息。“自1912年宇宙線被發現以來,研究宇宙線及其起源便成了人類探索宇宙的一條重要途徑。在以往的有關宇宙線的研究中,科學家發現了許多的基本粒子,開創了粒子物理學。并由此誕生了5位諾貝爾獎獲得者。”

  曹臻把宇宙線稱為“銀河隕石”,是傳遞“宇宙大事件”的信使,是發現“宇宙加速器”的探針。因為“隕石是我們了解地外天體的重要樣本,但我們迄今沒辦法得到太陽系外特別是銀河系外其他天體的樣本。于是,它們發射出的宇宙線,就成了我們了解銀河系的窗口”。

  宇宙線的起源一直是科學界公認的重大前沿問題,成為粒子物理學、天文學、天體物理學共同關注的科學命題,在歐美科學決策機構凝練出的6個或11個基礎科學難題中均位列前5。

  當年在設計LHAASO的科學目標時,中國科學家計劃將在3個方面達到世界領先水平。一是具有超高能伽馬射線探測靈敏度,在高于1013電子伏特的能量區域,LHAASO比歐洲計劃高十幾倍,能夠長期占據這類實驗研究領域的制高點;二是具有甚高能伽馬射線巡天普查靈敏度,比美國HAWC實驗靈敏度高三四倍;三是宇宙線能譜和成分精確測量裝置中具有最寬廣能量覆蓋度。

  雖然LHAASO的建設時間剛剛走過了一半,但初步用于觀測的水切倫科夫探測器陣列一號陣列,其巡天靈敏度比國際上最高靈敏度的同類裝置就高出30%,從而成為全世界同類裝置中靈敏度最高的探測器。

  水切倫科夫探測器陣列是觀測陣列的主要科學設施,每天都能夠對60%以上的天區進行一次掃描,不受日、月、星光及天氣條件的影響,實現全天候的觀測,每年將探測到5萬億個宇宙線事例,獲取4PB以上的觀測數據。

  曹臻說,有了這個觀測手段,我們可以在伽馬暴高能輻射探測、銀河系外耀變源探測與觀測、銀河系內伽馬射線源的深度觀測等方面與國際同類實驗展開廣泛而深入的合作研究了。

  對于這個全世界海拔最高的宇宙線觀測站,中科院高能物理所副所長羅小安認為,這個觀測站建成后所能帶來的不僅是科學上的突破。“作為我國大科學裝置在西南地區的重要布局,高海拔宇宙線觀測站將打造宇宙線研究和天文觀測基地,建成國際領先水平的宇宙線研究中心,并對當地的科技、文化教育、旅游以及地方經濟發展產生積極的影響。”

  (原載于《科技日報》 2019-06-28 01版)




(責任編輯:侯茜)

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