宇宙线是来自宇宙空间的高能带电粒子,是人类目前能够从宇宙深处获得的唯一物质样品。自1912年发现以来,宇宙线观测大大推动了粒子物理研究,产生了多个诺贝尔奖,但关于其自身如何产生、传播,却成了困扰科学家的世纪之谜。

　　目前,旨在探寻宇宙线起源的最新项目——中国高海拔宇宙线观测站正在平均海拔4400米以上的四川稻城海子山推进……

新华每日电讯记者王珏玢、吴晶晶

　　2016年7月,我国最新天文大科学装置——“高海拔宇宙线观测站”项目在四川省稻城县海子山开始基础设施建设,预计5年内建成。

宇宙线:记录宇宙大事件的“陨石”

　　宇宙线又称宇宙射线,是来自宇宙空间的高能粒子流。从成分看,宇宙线粒子的组成中质子约占90%,氦原子核(阿尔法粒子)占9%,其余是重原子核、电子以及少量反物质粒子。这些粒子,基本上以接近光速运动传播。

　　“天文学的传统研究对象大多是电磁波,但是宇宙线,却是人类目前能够从宇宙深处获得的唯一物质样本。”高海拔宇宙线观测站项目首席科学家、中科院高能物理研究所研究员曹臻说。他解释说,光以及其他电磁波,是一系列天体事件发生时相伴而生的“信号”,人类研究这些“信号”,进而对物质的性质展开推断。而宇宙线,是组成物质本身的粒子直接传播到地球。这就好比用望远镜观测月球、和去到月球表面取回样品来研究的区别,宇宙线中包含着许多电磁波无法传递的信息,也正因此,科学家将其形象地称为“宇宙陨石”,视之为传递“宇宙大事件”的“信使”。

　　自20世纪初以来,人类对宇宙线的探索从未中断。1912年,奥地利物理学家赫斯(Hess)乘坐热气球在空气电离实验中首次发现了宇宙线。此后100多年间,各国科学家又多次在热气球、地表、甚至卫星上安装探测器,试图进一步揭示宇宙线的奥秘。

　　“但是相对电磁波来说,宇宙线的研究更加困难。宇宙线是带电粒子,碰到宇宙中无处不在的磁场就会发生偏转,这给寻找其起源的科研工作带来很大难度。”高海拔宇宙线观测站项目科学组成员、南京大学天文与空间科学学院教授王祥玉举例说,比如光是直线传播的,所以我们观测到太阳光就能知道太阳所在的方向。但是宇宙线可能在电场、磁场中发生了很多次方向偏转,无法推测来源方位。此外,宇宙线进入大气层以后还会与其中原子核碰撞、被大量吸收,因此大部分原初宇宙线在地球表面已经无法观察了。

　　为了克服这些困难,科学家不断进行尝试。50年代以前,科学家多利用“云雾室”——一种充满饱和蒸汽的设备——结合照相机来成像宇宙线粒子经过形成的径迹。这种方法只能研究宇宙线粒子在空气中相互作用后产生的次级粒子。为了能够研究原初宇宙线自身以及相关的天文学问题,人们又发明了间接探测方法,通过在地表布设探测器阵列,全面捕捉宇宙线与大气作用后到达地面的次级粒子,以此反推宇宙线本身的性质。

　　“从1956年建立云南落雪山宇宙线站起,我国也一直积极推进宇宙线研究。现在,位于我国西藏羊八井的国际宇宙线观测站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’,也载有极高能量分辨率的高能宇宙线粒子的探测装置,随着科技发展,人类对宇宙线的探索也会不断前进。”王祥玉说。

拓展人类对物理规律的认识

　　携带着宇宙起源、天体演化、地球空间环境等科学信息的宇宙线,是一种“不请自来”的宝贵科学资源。对茫茫宇宙中这些接近光速运动的高能粒子,人类迄今取得了哪些研究进展?又还有哪些未解之谜?

　　高海拔宇宙线观测站项目科学组成员、中科院紫金山天文台研究员袁强说,进入20世纪以来,现代物理学研究最重要的方向之一,就是对微观粒子的认识。科学家们意识到,宏观物体在低速运动时会受到外界各种干扰,要掌握更为基本的物理规律,只有转入微观世界,在高能基本粒子间展开探究。而在50年代大型人造粒子加速器制造出来以前,宇宙线粒子是人类仅有的几个高能粒子来源之一,粒子物理的研究也主要由宇宙线驱动。

　　产生于宇宙深处的高能粒子,经过宇宙尺度的“巨型天然加速器”,给人类送来打开微观世界的钥匙。一批基本粒子也正是在宇宙线研究中发现。1932年,美国物理学家安德森在云雾室记录的宇宙线径迹中首次发现带正电荷的电子,这是人类发现的第一个反粒子,由此揭开了一个全新的镜像世界。此后,缪子、K介子、π介子等,也相继在宇宙线研究中被人类探知。

　　“现在世界上最大、能量最高的粒子加速器——欧洲大型强子对撞机,可将粒子加速到的最高能量大约是14万亿电子伏特,而人类已经发现的宇宙线粒子所能达到的最高能量,是这一能量的1000万倍以上。人类研制加速器,每突破一个能量级别,技术难度和成本会指数级增加,从这个角度说,加速器推动的高能物理研究很可能进入瓶颈期,回过头来借助宇宙线研究极高能粒子,可能会再次大幅拓展人类对物理规律的认识,获得超越加速器的突破性成就。”袁强说。

　　随着观测技术的发展,仅借助宇宙线来研究高能粒子,已经远不能满足人类的求知欲。这些宇宙深处的物质样本究竟来自何处、其中蕴含怎样的天体信息,越来越成为科学家研究的热点。

　　“很遗憾,迄今为止人类对宇宙线的来源还知之甚少。”王祥玉说,科学家已经发现,超新星遗迹、脉冲星风星云、银河系中心的超大质量黑洞等等,都具有产生宇宙线的条件。但这些候选天体中究竟哪一个,亦或是其他人类还未发现的天体,是这些大量弥漫、无处不在的宇宙线主要来源,现在还不得而知。

　　2002年,美国国家研究理事会将宇宙线起源列入新世纪宇宙物理领域的11个“世纪之谜”。围绕宇宙线在哪里产生、如何产生、怎样传播这三个核心难点,物理学家至今还在不断探寻。

中国“拉锁”创三大世界之最

　　高海拔宇宙线观测站项目,英文缩写名LHAASO(音译“拉锁”),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段伽马射线探测方面,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。

　　宇宙线发现100多年来,源头从未被找到。高海拔宇宙线观测站项目的核心目标,就是找到宇宙线起源,向这一“世纪之谜”发起冲击。“理论上讲,我们的装置应该能找到宇宙线的起源。另外,如此大型的探测装置,还可能有很多意想不到的发现,比如发现高能量的伽玛暴,挑战爱因斯坦的相对论、经典引力理论等基本物理问题。”曹臻说。

　　“高海拔宇宙线观测站项目有助于科学家分层次、分类别地精确测定宇宙线能谱。基于整个装置在伽马射线探测方面的卓越性能,我们期待将发现1000个以上高能伽马射线源,而目前这一数字是100个。”袁强说。

　　“LHAASO项目将与世界其他3个同水平宇宙线观测站(位于阿根廷的极高能宇宙线观测站、位于南极的中微子天文观测站、待建的切伦科夫望远镜阵列)形成优势互补,向宇宙线起源这一世纪之谜发起冲击,推动粒子物理学、天文学、宇宙学领域的相关科学研究取得突破性发展。”曹臻说。

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