高海拔宇宙线观测站瞄准宇宙线起源难题-中新网
高海拔宇宙线观测站瞄准宇宙线起源难题
日 04:30　来源：科技日报 　
高海拔宇宙线观测站整体布局效果图
　　被称作宇宙大事件的“陨石”，携带着宇宙起源、天体演化的宝贵信息，宇宙线一直吸引着科学家关注的目光。近日，国家重大科技基础设施高海拔宇宙线观测站(LHAASO)在四川稻城开始地方配套项目建设。“LHAASO建成后每天将能观测到50亿个宇宙线事件。”8月11日，中科院高能物理研究所研究员、高海拔宇宙线观测站(LHAASO)项目首席科学家曹臻告诉科技日报记者，凭借探测灵敏度和能谱测量范围方面的优势，2020年LHAASO建成后将跻身世界四大宇宙线研究中心，有望揭开宇宙线起源的神秘面纱。
　　“世纪谜题”百年未解
　　宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子流，由各种原子核以及非常少量的电子、光子和中微子等组成。它们又被称作“银河陨石”、传递宇宙大事件的“信使”。这是因为宇宙线粒子不同于光辐射，它们本身就是组成宇宙天体的物质成分，并携带着宇宙空间环境信息来到地球。科学家相信，巨大星系中心的超大规模黑洞爆发、巨大星系之间的碰撞等剧烈天体物理现象，会将天体内物质粒子加速并向外喷射，这便是宇宙线可能的源头之一。“宇宙线粒子和阿波罗号从月球带回的土壤样本类似，它的各种成分与太阳系相同，是获取太阳系外物质样本的唯一渠道。”曹臻说，400多年前，伽利略将望远镜指向星空，为现代天文学打开了光学观测遥远天体的窗口。高能宇宙线打开了天文学发现新现象的新窗口，人类可以从宇宙线粒子去研究天体的物质构成以及它们所经历的物理过程。
　　自1912年奥地利科学家赫斯发现宇宙线以来，100多年来科学家因宇宙线研究先后6次获诺贝尔奖。然而，人类对它的兴趣从未消减。“宇宙线来自哪里，它们是如何被加速到如此之高的能量，一直是困扰科学家的问题。”曹臻说，高能宇宙粒子的能量远远超过人工加速器所能获得的最高能量。“北京正负电子对撞机的束流能量刚刚达到我们关心的高能伽玛射线的能量起点。而欧洲大型强子对撞机作为目前世界上最大、能量最高的粒子加速器，它的质心总能量也只是已发现宇宙线粒子最高能量的万分之一。”
　　2004年，美国国家科学技术委员会研究确定了新世纪科学研究的11个“世纪谜题”，宇宙线起源及其加速机制名列其中。
　　三大阵列溯源“信使”来路
　　寻找宇宙线加速机制，首先要确定宇宙线的源天体。然而，这并非易事。
　　曹臻介绍说，高能粒子的数量随着能量的上升急剧下降，粒子能量每上升10倍，粒子数量就会下降1000倍，最终能到达地球的高能宇宙线粒子少之又少。“由探测器组成的占地1平方公里的探测器阵列，大约100年也只能看到1次最高能量的宇宙线事件。”
　　而要根据获得的宇宙线粒子确定它们来自何方更是不易。“宇宙线粒子多为带电粒子，会在传播过程中被宇宙中无处不在的磁场所偏转，根据粒子最后被记录到的运动方向无法判断它源自何方。”
　　好在，宇宙线中的伽玛射线留给了科学家一线希望。伽玛射线是由高能光子组成的粒子流，由于光子的传播不受磁场影响，因此伽玛射线在宇宙空间沿直线传播。进入地球大气后，高能伽玛粒子会与大气中的原子核发生碰撞，形成一系列新粒子。它们如同一场粒子雨，纷纷落到地面。伽玛射线引发的粒子雨正是LHAASO的探测对象之一。
　　曹臻向记者介绍，LHAASO探测阵列由水切伦科夫探测器阵列、地面簇射粒子阵列、广角切伦科夫望远镜阵列三部分组成，分别对纷纷落下的粒子进行探测。“水切伦科夫探测器阵列是一个深4.5米、占地8万平方米的水池，水底布满3000路探测单元，专门用来探测能量较低的宇宙线。占地一平方公里的地面簇射粒子阵列包括地面约5200个闪烁体探测器和埋在地下2.5米的约1200个缪子探测器，主要用于探测能量稍高的宇宙线。”曹臻解释说，之所以将探测器放在水底、地下，目的是通过测量粒子雨中的缪子成分，用于区分LHAASO接收到的是普通宇宙线粒子还是伽玛射线粒子信号，而通过进一步分析伽玛射线粒子的能谱，能够区分这些粒子的起源。“这是LHAASO设计的独特之处。目前科学家已经发现近200个高能伽玛射线源，但它们只能称为宇宙线源候选体，因为除宇宙线外，其他粒子比如电子也会产生伽玛射线。”曹臻说，对于被确定为宇宙线源的候选天体，LHAASO将进行高精度光谱观测，尝试探寻“宇宙线加速器”的奥秘。除此之外，12架切伦科夫望远镜组成的阵列将开展宇宙线能谱的高精度测量。三大阵列互相配合，对于宇宙线特征、起源等进行精密分析和研究，最终有望破解宇宙线起源难题。
　　探索征途不孤单
　　在探寻宇宙线起源的征途上，LHAASO并不孤单。
　　“宇宙线研究在我国已有半个多世纪的历史。”曹臻介绍说，建设于1956年的云南落雪山宇宙线站利用云室探测宇宙线，开启了我国在这一领域的研究。西藏羊八井的国际宇宙线观测站经过20年建设，已成为重要的宇宙线观测窗口。去年发射升空的暗物质卫星“悟空”，也载有高能宇宙线粒子的探测装置。“我国科学家长期奋战在海拔四千米以上的雪域高原，形成了我国宇宙线研究的独特优势。”曹臻说。
　　按照计划，LHAASO将于2020年建设完成，与世界其他3个同水平宇宙线观测站优势互补，向宇宙线起源这一世纪之谜发起冲击。“位于阿根廷的皮埃尔奥格专注于极高能宇宙线探测，南极冰立方(ICE-CUBE)探测器专注于中微子探测，LHAASO的主要竞争对手是建设中的欧洲切伦科夫望远镜阵列CTA。” 曹臻说。利用分别位于南北半球的100多架望远镜，CTA将探测来自特定天体的甚高能伽马射线。虽然LHAASO和CTA工作的能量范围相似，但曹臻认为，凭借最高的高能伽玛射线探测灵敏度、最灵敏的甚高能伽玛射线巡天探测、最宽广的宇宙线能量探测范围，以及辨别宇宙线粒子类别的独特设计，LHAASO项目将在未来竞争中保持独特优势。
　　“近年来，科学家先后发现甚高能伽玛射线源近200个，在《自然》和《科学》杂志发表相关论文16篇，伽玛射线天文正在成为国际研究热点。”曹臻说，“学术界认为宇宙线研究突破在即，LHAASO正是诞生于这样的背景，也希望为此做出贡献。”
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　　LHAASO创三大世界之最
　　国家重大科技基础设施高海拔宇宙线观测站(LHAASO)，这道在海拔4400米以上拉起的恢恢天网，将成为全球覆盖能量范围最大的宇宙线探测设备，随时等待捕捉掉落地球的新秘密。
　　曹臻向记者介绍，LHAASO观测站总占地面积约2000亩，站区包括探测器阵列及综合科技中心等附属建筑。LHAASO探测阵列由3个部分组成。首先是一个深5米、占地8万平方米的水池，这个完全密封、一片漆黑、面积有两个半北京水立方大小的水池，布满3000个左右的测量单元，能够收集到非常遥远的星体，比如3亿光年外黑洞爆发时产生的伽玛光子，它专门用来探测能量较低的宇宙线；第二部分是一个约一平方公里的复合地面阵列，约5200个闪烁体探测器按边长15米的正三角形点阵来排布，同时在2.5米的地下每隔30米布设约1200个缪子探测器，用于探测能量稍高的宇宙线；第三类装置由12个望远镜系统组成，用于宇宙线能谱高精度测量。这三类探测器彼此联动，组成巨大的复合探测装置。
　　“LHAASO项目集合了三个世界之最。”曹臻说，一是在1万亿电子伏特附近的甚高能伽玛射线巡天探测方面，灵敏度世界第一；二是100万亿电子伏特附近的高能段伽玛射线探测方面，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。
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中国用“拉链”试着解释宇宙线起源之谜
文章作者：lili |
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起源一直是我们梦寐以求的追求问题。也曾有许多中理论和研究提出多种见解。中国也同过高海拔地区观测站来观测，并以此来解释。不过我觉得起源问题可能更多的不是某一种理论，而是各种拼图结合起来。某种解释可能只是其中一个过程。因为这个问题可能并不是那么简单，那么一辍而就，而是一个多变的复杂过程。
我国最新天文大科学装置&&&高海拔宇宙线观测站&（LHAASO，音译为&拉锁&）项目今年7月在海拔4410米的四川省稻城县海子山开始基础设施建设。该项目建成后有望向宇宙线起源这一世纪之谜发起冲击。
宇宙线是来自宇宙的高能粒子，是人类获取太阳系外物质样本的唯一渠道，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。中科院高能物理研究所研究员、高海拔宇宙线观测站项目首席科学家曹臻介绍，宇宙线及其起源是人类探索宇宙及其演化的重要途径。
LHAASO项目正是瞄准宇宙线起源这一重大科学难题而提出的，是《国家重大科技基础设施建设中长期规划（年）》在&十二五&期间优先支持的项目，由国家发改委于日批准立项，投资约12亿元人民币，建设周期为5年。
曹臻介绍，LHAASO探测阵列由3个主要的部分组成：首先是一个深5米、占地8万平方米的水池，这个完全密封、一片漆黑、面积有两个半北京水立方大小的水池，布满3000个左右的测量单元，能够收集到非常遥远的星体，比如3亿光年外爆发时产生的伽马光子，它专门用来探测能量较低的宇宙线；第二部分是一个约1平方公里的复合地面阵列，约5200个闪烁体探测器按边长15米的正三角形点阵来排布，同时在2.5米的地下每隔30米布设约1200个缪子探测器，用于探测能量稍高的宇宙线伽马光子；第三类装置由12个望远镜系统组成，用于能量更高的宇宙线能谱高精度测量。这三类探测器彼此联动，组成巨大的复合探测装置。
&LHAASO项目集合了三个世界之最。&曹臻说，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。
&利用如此精心布置的大型探测装置，理论上讲应该能找到宇宙线的起源，这也是LHAASO的核心目标。&曹臻说，另外它的发现还可能扩展到意想不到的领域，如捕捉到伽马暴，人类已知的最剧烈的天体爆炸过程，就有可能挑战爱因斯坦的、经典引力理论等基本物理问题。&
目前LHAASO项目集合了国内20多个科研院校的百余名科学家，法国、意大利、瑞典等国也拟加入LHAASO项目国际合作组，未来合作国家还会进一步增加。
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外星探索www. 版权所有我国高海拔宇宙线观测站将开工建设 向宇宙线起源发起挑战
中科院今天（5日）宣布，我国新一项国家重大科技基础设施——高海拔宇宙线观测站LHAASO（音：lasou 英语发音）即将全面开工建设，主要通过宇宙线探测，向宇宙线起源这一“世纪难题”发起挑战。
高海拔宇宙线观测站LHAASO位于四川稻城海子山，平均海拔为4410米。科学家将在方圆1.36平方公里的范围内布置4类灵敏度极高的探测器阵列，探测宇宙射线中的甚高能波段的伽马粒子和超高能带电粒子。
高海拔宇宙线观测站LHAASO项目首席科学家 曹臻：要解决科学上的一个世纪难题，就是要找到宇宙线的起源，和宇宙线为什么能够被它的源头——我们叫宇宙加速器的地方，把能量加速到远高于人工加速器能够加速的高能量。
专家介绍，宇宙线的现象发现已经一百多年了，但是宇宙线从哪一类天体里而来，通过什么样的加速机制获得了人类通过加速器无法达到的高能量，是目前国际前沿科学中的重大问题之一。捕获宇宙线、探寻其起源并进一步研究其加速机制，将对研究相关高能辐射、天体演化、拓展新物理研究产生重要意义。
高海拔宇宙线观测站LHAASO项目首席科学家 曹臻：我们有一个基本的判断，在最高能区的最高灵敏度，这个领先地位，大概一二十年之内是不会有人超越的。
作为“十二五”期间启动的我国重大科技基础设施项目，2015年12月LHAASO获得国家发改委批准立项，到2018年年底，完成四分之一的探测阵列建设，LHAASO便会成为世界上最大规模的同类装置并投入运行，预计2021年1月份整体竣工。
探寻宇宙线起源 或迎未知巨变
宇宙线目前被认为是除陨石外，来自宇宙的唯一物质样本，成为人类探索宇宙起源、认识天体演化等宇宙奥秘的解码利器。那么什么是宇宙线？探寻宇宙线起源能给人类带来那些影响？一起了解一下。
宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子，1912年被发现以来，与之相关的探索与研究已经产生了数枚诺贝尔奖牌，但它究竟来自哪里仍然是未解之谜，探寻宇宙线起源成为21世纪自然科学的基本问题之一。
高海拔宇宙线观测站LHAASO项目首席科学家 曹臻：向宇宙学习，怎么去把粒子加速到这么高的能量，这里头有没有新的物理的原理，或者机制，这些是我们探索的一个整体。
专家介绍，穿越宇宙飞向地面的宇宙线数量相对较少，LHAASO探测的能区范围内，每平方米一年才能遇见一个。当一个宇宙线粒子进入地球大气层后，被大气中的原子核分解成大量能量小的粒子，这些像阵雨一样大量粒子，在大约1纳秒的极短时间内落在LHAASO密集分布的高灵敏度探测器，他们的数量、方向等信息就会被记录下来。
高海拔宇宙线观测站LHAASO项目首席科学家 曹臻：如果我们能够把这个阵雨的性质测量清楚了，也就能够把引起这个阵雨的宇宙线粒子的性质搞清楚了。就可以用伽马射线反推回去，寻找到宇宙线可能的源头。
（原标题：我国高海拔宇宙线观测站将开工建设 向宇宙线起源发起挑战）
椰网编辑：赵康丽}