【科技日报】破解宇宙线“世纪之谜”

2015-09-18 科技日报 李文龙

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　　近日，中国科学院高能物理研究所、四川省甘孜州人民政府、中科院成都分院在成都签署协议，计划在四川省甘孜州稻城县海子山建造一座高海拔宇宙线观测站（ＬＨＡＡＳＯ），以研究宇宙线的起源。排名21世纪11大科学难题之一的宇宙线起源问题，未来或许将在四川揭晓谜底。

　　寂静空旷的宇宙深处，时时刻刻都有人们看不见的宇宙线穿行，对宇宙线的观测和研究是人们探索大自然的重要手段之一。经过7年论证，这个人类历史上耗资第二大的宇宙线观测站最终落户四川省甘孜州稻城海子山，这是我国重大科技基础设施建设的又一里程碑事件。利用观测站，科学家将“对话”宇宙，破解宇宙线起源的世纪谜题。

　　研究宇宙线有啥用？

　　宇宙线亦称为宇宙射线，是来自于外太空的高能带电粒子流，由奥地利科学家韦克多·汉斯于1912年首次发现。到达地球的原初宇宙线粒子的成分主要是多种原子核，可从氢核（即质子）按元素周期表一直排到铁核，但以氢核居多；还包括含量很少的中微子、电子、光子等粒子。但宇宙线中各组分的具体比重尚不清楚。自宇宙线被发现一个世纪以来，科学家们对其展开了艰辛的探索，但始终未能揭示宇宙线的起源，宇宙线来自何方已成为“世纪之谜”。2002年，美国国家研究委员会将宇宙线的起源列为在21世纪需要解答的11个宇宙相关难题之一。探究宇宙线的起源，是海子山观测站项目启动的最基本动机。探测宇宙线中各组分的比重及随能量的变化，也是该项目所研究的核心问题之一。

　　“研究宇宙线对人类认知宇宙的构成、演化以及宇宙对粒子的加速机制有重要意义。”高海拔宇宙线观测站首席科学家、中国科学院高能物理研究所研究员曹臻告诉科技日报记者，宇宙线对于研究宇宙构成具有重要作用。宇宙线是宇宙构成中不可或缺的部分，它是来自外太空的高能粒子。对于太阳系之外遥远的宇宙空间，我们只能通过观测宇宙线来获取宇宙构成的物质样本。研究宇宙线的成分和丰度就是研究宇宙到底由哪些物质构成。

　　“虽然还不清楚宇宙线的成因，但是科学家发现，宇宙线的寿命、它们在宇宙中运行的时间和距离等特性会随着宇宙的演化而演化。通过分析宇宙线的基本性质，我们可以得到关于整个宇宙演化过程的一些证据。”曹臻说，如果找到宇宙线的起源位置，比如说确定为某个天体、某个星系的中央区域或者黑洞等，人们就能更加仔细的研究宇宙线的源天体的演化历程，进而分析整个宇宙的演化。

　　此外，宇宙线每个粒子的能量非常高。迄今记录到的最高能量的宇宙线粒子的能量达到 3×1020电子伏特，比人类制造的最大加速器，即欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（LHC）产生的粒子能量还要高约3000万倍。人类利用现在掌握的技术，无法在地球上建造一个能把粒子能量加速到宇宙线能量级别的加速器。倘若我们能够破解宇宙线的起源之谜，也将揭示这个宇宙加速器的工作机理，这对人类科技发展意义重大。

　　为什么选择海子山？

　　曹臻表示，四川海子山将要建造的观测站将重点关注宇宙线中的高能伽马射线（γ光子），这需要在高海拔地区进行观测和研究。宇宙线粒子进入大气层后会被大气吸收。海拔越高，空气越稀薄，探测器就能捕获到更多的目标粒子。此外，大气的吸收也会导致探测器测量结果产生额外的涨落。因此，海拔越高，测量结果就越精确。国际上公认的，能够找到4000米以上高海拔站点的地方只有南美洲的安第斯山脉和中国的青藏高原。而青藏高原作为“世界屋脊”，其地理条件比安第斯山脉更优越，而海子山就地处青藏高原。

　　除海拔因素外，影响观测站选址的因素还包括当地的交通、电力、通讯、水资源等多种因素。他说：“我们经过7年的科学预研、选址考察以及

　　专家论证，通过对青海、西藏、云南、四川4个省区几十个站址的各种条件进行综合分析，形成了非常详细的选址评估报告，最终确定四川省甘孜州稻城县海子山是条件最为优越的站址。稻城县拥有极佳的观测条件：高海拔、靠近机场、稳定的电力和通讯条件，以及充足的水资源。”

　　新观测站优势在哪？

　　据了解，海子山观测站将安装超大型伽马源全天普查望远镜和由闪烁体探测器、缪子探测器组成的巨型宇宙线簇射探测器阵列、宽视场契伦科夫成像望远镜阵列、簇射芯探测器阵列。

　　曹臻指出，海子山观测站计划将5种探测器集成为一个覆盖一平方公里的复合探测器阵列。“为精准测定一个到达地球的宇宙线粒子的包括其能量、电荷种类、到达方向等在内的多重物理性质，我们需要建立一系列的实验探测装置并组合到一起，对一个事例进行多参数的测量。尽可能多的捕捉该粒子全部的物理信息。再将所得到的信息综合分析，才能全面精准的判定所捕获粒子的物理性质。”

　　曹臻表示，与自1989年投入运行的西藏羊八井观测站相比，海子山观测站探测器的规模和性能将增大几十倍甚至几百倍，而且探测灵敏度大幅度提高。就宇宙线中光子的探测能力而言，在低能区，海子山观测站的探测能力是羊八井观测站的30多倍；在高能区，其则是羊八井观测站的300多倍。

　　目前国际上能够与海子山观测站比肩的探究宇宙线的大型科学装置，只有阿根廷极高能宇宙线观测站、南极中微子天文台和智利切伦科夫望远镜阵列。与国外类似装置相比，海子山观测站同样独具优势。曹臻指出，宇宙线中的中微子和光子不带电，均可以用来寻找源天体。南极中微子天文台主要探测中微子，海子山观测站则主要探究光子。“目前，只有智利契伦科夫望远镜阵列和我国海子山观测站对光子进行深入研究，二者在很大程度上存在竞争。但是智利契伦科夫望远镜列阵主要针对低能区，进行瞄准已知源天体的研究，其优势集中在低能区。而海子山观测站的优势集中在宽视场的全天普查和高能区的精确测量。在高能区的观测，我们比国外要强十几倍。另外，智利契伦科夫望远镜列阵更多关注天文领域，而我们还能关注高能物理方面的研究。”

　　除了观测还能干啥？

　　曹臻表示，四川海子山观测站投入运行后，将是我国在宇宙线研究领域里第一次在国际上占据领先地位。新的探测器系统建成之后将产生三个世界第一。“就光子探测而言，在高能区，我们的灵敏度全世界最高。就宇宙线带电粒子测量而言，我们的能量覆盖等级全世界最高、最宽广。在利用巡天模式去寻找是否存在光子源方面，我们的巡天观测普查能力世界最强。在这三个优势条件下，我们的科学家和科研工作者就可以产生出世界一流的研究成果。”

　　中国科学院高能物理研究所所长王贻芳说：“中国的宇宙线研究始于上世纪50年代，但在很长一段时间内，我们主要是对国际上相关研究进行跟踪和学习。我们希望能够走到国际前沿，占据世界领先地位。四川海子山观测站的建成将使我们真正具备国际领先水平。未来，中国的宇宙线研究将会在国际上占有非常重要的地位。在开展宇宙线研究60多年后，我们终于走到了世界前沿。”

　　此外，海子山观测站也将会是大学和科研院所的教学基地。曹臻说，海子山观测站的合作是建立在一个大合作组的基础之上。在目前20多个合作单位中，除中国科学院相关研究所之外，其余大部分来自大学。各研究所和院校在海子山观测站内，不仅能够培养高精尖的科研人才，也可以以此作为教学实验基地，开展物理学、天文学等学科的教学活动。“海子山观测站将至少运行20年。在此期间，我们将为国家培养数百名科研人才，这对我国的科研和教育事业意义重大。”

　　■相关链接

　　探索宇宙线起源为何这样难？

　　宇宙线起源的探寻之所以如此困难，是因为宇宙线中绝大部分粒子是带电粒子，它们在宇宙中飞行的时候总会受到磁场影响发生偏转，逐渐失去了原来的方向。因此根据地球上观测到的宇宙线到达方向，很难反推出宇宙线发射源的方向。而随着宇宙线能量的升高，磁场对宇宙线的偏转能力也随之减小，所以当宇宙线的能量高到某一程度时，所观测到的宇宙线的到达方向能够近似反映其发射源所在的方向。所以，正是为了逮住这些极为稀少的高能量宇宙线，必须建设庞大的观测设备。

　　极高能宇宙线稀少到什么程度呢？在1平方公里的面积上100年才可能落下一个。要积累到足够用于物理分析的统计量，需要建造面积巨大且能长时间运行的探测器，如著名的俄歇观测站的探测器覆盖面积达到3000平方公里，但要积累足够多的极高能宇宙线粒子，仍然需要观测10年甚而更长的时间。

　　人类迄今探测到的最高能量的粒子，是落在美国Utah沙漠里的探测装置Fly's Eye附近的宇宙线粒子, 它的能量是世界最大加速器产生的质子能量的4000万倍。像这样的高能粒子并不容易测到, 平均而言, 一平方公里一个世纪可以等到一个。

　　（原载于《科技日报》 2015-09-18 07版）

　　近日，中国科学院高能物理研究所、四川省甘孜州人民政府、中科院成都分院在成都签署协议，计划在四川省甘孜州稻城县海子山建造一座高海拔宇宙线观测站（ＬＨＡＡＳＯ），以研究宇宙线的起源。排名21世纪11大科学难题之一的宇宙线起源问题，未来或许将在四川揭晓谜底。
　　寂静空旷的宇宙深处，时时刻刻都有人们看不见的宇宙线穿行，对宇宙线的观测和研究是人们探索大自然的重要手段之一。经过7年论证，这个人类历史上耗资第二大的宇宙线观测站最终落户四川省甘孜州稻城海子山，这是我国重大科技基础设施建设的又一里程碑事件。利用观测站，科学家将“对话”宇宙，破解宇宙线起源的世纪谜题。
　　研究宇宙线有啥用？
　　宇宙线亦称为宇宙射线，是来自于外太空的高能带电粒子流，由奥地利科学家韦克多·汉斯于1912年首次发现。到达地球的原初宇宙线粒子的成分主要是多种原子核，可从氢核（即质子）按元素周期表一直排到铁核，但以氢核居多；还包括含量很少的中微子、电子、光子等粒子。但宇宙线中各组分的具体比重尚不清楚。自宇宙线被发现一个世纪以来，科学家们对其展开了艰辛的探索，但始终未能揭示宇宙线的起源，宇宙线来自何方已成为“世纪之谜”。2002年，美国国家研究委员会将宇宙线的起源列为在21世纪需要解答的11个宇宙相关难题之一。探究宇宙线的起源，是海子山观测站项目启动的最基本动机。探测宇宙线中各组分的比重及随能量的变化，也是该项目所研究的核心问题之一。
　　“研究宇宙线对人类认知宇宙的构成、演化以及宇宙对粒子的加速机制有重要意义。”高海拔宇宙线观测站首席科学家、中国科学院高能物理研究所研究员曹臻告诉科技日报记者，宇宙线对于研究宇宙构成具有重要作用。宇宙线是宇宙构成中不可或缺的部分，它是来自外太空的高能粒子。对于太阳系之外遥远的宇宙空间，我们只能通过观测宇宙线来获取宇宙构成的物质样本。研究宇宙线的成分和丰度就是研究宇宙到底由哪些物质构成。
　　“虽然还不清楚宇宙线的成因，但是科学家发现，宇宙线的寿命、它们在宇宙中运行的时间和距离等特性会随着宇宙的演化而演化。通过分析宇宙线的基本性质，我们可以得到关于整个宇宙演化过程的一些证据。”曹臻说，如果找到宇宙线的起源位置，比如说确定为某个天体、某个星系的中央区域或者黑洞等，人们就能更加仔细的研究宇宙线的源天体的演化历程，进而分析整个宇宙的演化。
　　此外，宇宙线每个粒子的能量非常高。迄今记录到的最高能量的宇宙线粒子的能量达到 3×1020电子伏特，比人类制造的最大加速器，即欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（LHC）产生的粒子能量还要高约3000万倍。人类利用现在掌握的技术，无法在地球上建造一个能把粒子能量加速到宇宙线能量级别的加速器。倘若我们能够破解宇宙线的起源之谜，也将揭示这个宇宙加速器的工作机理，这对人类科技发展意义重大。
　　为什么选择海子山？
　　曹臻表示，四川海子山将要建造的观测站将重点关注宇宙线中的高能伽马射线（γ光子），这需要在高海拔地区进行观测和研究。宇宙线粒子进入大气层后会被大气吸收。海拔越高，空气越稀薄，探测器就能捕获到更多的目标粒子。此外，大气的吸收也会导致探测器测量结果产生额外的涨落。因此，海拔越高，测量结果就越精确。国际上公认的，能够找到4000米以上高海拔站点的地方只有南美洲的安第斯山脉和中国的青藏高原。而青藏高原作为“世界屋脊”，其地理条件比安第斯山脉更优越，而海子山就地处青藏高原。
　　除海拔因素外，影响观测站选址的因素还包括当地的交通、电力、通讯、水资源等多种因素。他说：“我们经过7年的科学预研、选址考察以及
　　专家论证，通过对青海、西藏、云南、四川4个省区几十个站址的各种条件进行综合分析，形成了非常详细的选址评估报告，最终确定四川省甘孜州稻城县海子山是条件最为优越的站址。稻城县拥有极佳的观测条件：高海拔、靠近机场、稳定的电力和通讯条件，以及充足的水资源。”
　　新观测站优势在哪？
　　据了解，海子山观测站将安装超大型伽马源全天普查望远镜和由闪烁体探测器、缪子探测器组成的巨型宇宙线簇射探测器阵列、宽视场契伦科夫成像望远镜阵列、簇射芯探测器阵列。
　　曹臻指出，海子山观测站计划将5种探测器集成为一个覆盖一平方公里的复合探测器阵列。“为精准测定一个到达地球的宇宙线粒子的包括其能量、电荷种类、到达方向等在内的多重物理性质，我们需要建立一系列的实验探测装置并组合到一起，对一个事例进行多参数的测量。尽可能多的捕捉该粒子全部的物理信息。再将所得到的信息综合分析，才能全面精准的判定所捕获粒子的物理性质。”
　　曹臻表示，与自1989年投入运行的西藏羊八井观测站相比，海子山观测站探测器的规模和性能将增大几十倍甚至几百倍，而且探测灵敏度大幅度提高。就宇宙线中光子的探测能力而言，在低能区，海子山观测站的探测能力是羊八井观测站的30多倍；在高能区，其则是羊八井观测站的300多倍。
　　目前国际上能够与海子山观测站比肩的探究宇宙线的大型科学装置，只有阿根廷极高能宇宙线观测站、南极中微子天文台和智利切伦科夫望远镜阵列。与国外类似装置相比，海子山观测站同样独具优势。曹臻指出，宇宙线中的中微子和光子不带电，均可以用来寻找源天体。南极中微子天文台主要探测中微子，海子山观测站则主要探究光子。“目前，只有智利契伦科夫望远镜阵列和我国海子山观测站对光子进行深入研究，二者在很大程度上存在竞争。但是智利契伦科夫望远镜列阵主要针对低能区，进行瞄准已知源天体的研究，其优势集中在低能区。而海子山观测站的优势集中在宽视场的全天普查和高能区的精确测量。在高能区的观测，我们比国外要强十几倍。另外，智利契伦科夫望远镜列阵更多关注天文领域，而我们还能关注高能物理方面的研究。”
　　除了观测还能干啥？
　　曹臻表示，四川海子山观测站投入运行后，将是我国在宇宙线研究领域里第一次在国际上占据领先地位。新的探测器系统建成之后将产生三个世界第一。“就光子探测而言，在高能区，我们的灵敏度全世界最高。就宇宙线带电粒子测量而言，我们的能量覆盖等级全世界最高、最宽广。在利用巡天模式去寻找是否存在光子源方面，我们的巡天观测普查能力世界最强。在这三个优势条件下，我们的科学家和科研工作者就可以产生出世界一流的研究成果。”
　　中国科学院高能物理研究所所长王贻芳说：“中国的宇宙线研究始于上世纪50年代，但在很长一段时间内，我们主要是对国际上相关研究进行跟踪和学习。我们希望能够走到国际前沿，占据世界领先地位。四川海子山观测站的建成将使我们真正具备国际领先水平。未来，中国的宇宙线研究将会在国际上占有非常重要的地位。在开展宇宙线研究60多年后，我们终于走到了世界前沿。”
　　此外，海子山观测站也将会是大学和科研院所的教学基地。曹臻说，海子山观测站的合作是建立在一个大合作组的基础之上。在目前20多个合作单位中，除中国科学院相关研究所之外，其余大部分来自大学。各研究所和院校在海子山观测站内，不仅能够培养高精尖的科研人才，也可以以此作为教学实验基地，开展物理学、天文学等学科的教学活动。“海子山观测站将至少运行20年。在此期间，我们将为国家培养数百名科研人才，这对我国的科研和教育事业意义重大。”
　　■相关链接
　　探索宇宙线起源为何这样难？
　　宇宙线起源的探寻之所以如此困难，是因为宇宙线中绝大部分粒子是带电粒子，它们在宇宙中飞行的时候总会受到磁场影响发生偏转，逐渐失去了原来的方向。因此根据地球上观测到的宇宙线到达方向，很难反推出宇宙线发射源的方向。而随着宇宙线能量的升高，磁场对宇宙线的偏转能力也随之减小，所以当宇宙线的能量高到某一程度时，所观测到的宇宙线的到达方向能够近似反映其发射源所在的方向。所以，正是为了逮住这些极为稀少的高能量宇宙线，必须建设庞大的观测设备。
　　极高能宇宙线稀少到什么程度呢？在1平方公里的面积上100年才可能落下一个。要积累到足够用于物理分析的统计量，需要建造面积巨大且能长时间运行的探测器，如著名的俄歇观测站的探测器覆盖面积达到3000平方公里，但要积累足够多的极高能宇宙线粒子，仍然需要观测10年甚而更长的时间。
　　人类迄今探测到的最高能量的粒子，是落在美国Utah沙漠里的探测装置Fly's Eye附近的宇宙线粒子, 它的能量是世界最大加速器产生的质子能量的4000万倍。像这样的高能粒子并不容易测到, 平均而言, 一平方公里一个世纪可以等到一个。
　　（原载于《科技日报》 2015-09-18 07版）

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