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捕捉无限宇宙中的,高海拔宇宙线观测站首批探

发布时间:2019-10-04 15:14编辑:生命科学浏览(87)

    高海拔宇宙线观测站首批探测器投入科学观测

    原标题:捕捉高能粒子,大科学工程LHAASO探索宇宙奥秘

    科技日报记者 李大庆

    6月4日清晨,四川省稻城县突降雨雪。就在这雨雪中,在海拔4410米的海子山,我国又一项大科学工程高海拔宇宙线观测站即将全面开工建设。在占地1.36平方公里的圆形区域内,科学家们将布置三个阵列、四种探测器:水切伦科夫探测器阵列,由3个大型水池构成,布置3000路探测单元,阵列面积为7.8万平方米;地面簇射粒子阵列,由5195路电磁粒子探测器和1171路缪子探测器组成;广角切伦科夫望远镜阵列,由12台宽视场切伦科夫成像望远镜组成。

    4月26日,由中国科学院与四川省人民政府共建的国家重大科技基础设施——高海拔宇宙线观测站首批探测器投入科学观测。此次投入科学观测的探测器包括由900个探测器单元组成的、灵敏面积达22500平方米的一号水切伦科夫探测器阵列,两台广角切伦科夫望远镜,180台电磁粒子探测器和80个缪子探测器。

    今年4月27日,来自中国、美国、日本、德国、法国、意大利、俄罗斯、瑞士等国的专家、学者共同来到海拔4410米的四川省稻城县海子山,现场考察正在建设中的高海拔宇宙线观测站。令他们没有想到的是,这个主体工程于2017年6月才开始动工的观测站,首批探测器已经投入科学观测了。

    今年4月27日,来自中国、美国、日本、德国、法国、意大利、俄罗斯、瑞士等国的专家、学者共同来到海拔4410米的四川省稻城县海子山,现场考察正在建设中的高海拔宇宙线观测站。令他们没有想到的是,这个主体工程于2017年6月才开始动工的观测站,首批探测器已经投入科学观测了。

    LHAASO首席科学家、项目经理,中国科学院高能物理研究所研究员曹臻站在高处俯瞰工地:“LHAASO的建设周期为4年,核心目标是探索宇宙线起源。建成后,它将是世界上探测最高能量的伽马射线最灵敏的探测器。”

    “经过近2年的建设,观测阵列已经具备一定规模,本次投入观测的一号水切伦科夫探测器阵列超过该种探测器阵列全部规模的1/4,但其巡天灵敏度已经比国际上最高灵敏度的同类装置高出30%。”中科院高能物理研究所研究员、高海拔宇宙线观测站首席科学家曹臻告诉《中国科学报》记者。

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    宇宙线:携带宇宙深层奥秘的高能粒子

    水切伦科夫探测器阵列是LHAASO阵列的主要科学设施之一,每天都能够对60%以上的天区进行一次扫描,而且不受日、月、星光及天气条件的影响,实现全天候的观测,每年将探测到5万亿个宇宙线事例,获取4PB以上的观测数据。

    LHAASO是“十二五”期间启动的国家重大科技基础设施项目。2015年12月获得国家发改委批准立项,总投资约12亿元,系我国自主研发。整个观测设施由电磁粒子探测器阵列、缪子探测器阵列、水切伦科夫探测器阵列、广角切伦科夫望远镜阵列等组成。它的目标是捕捉宇宙中飞来的高能粒子。

    LHAASO是“十二五”期间启动的国家重大科技基础设施项目。2015年12月获得国家发改委批准立项,总投资约12亿元,系我国自主研发。整个观测设施由电磁粒子探测器阵列、缪子探测器阵列、水切伦科夫探测器阵列、广角切伦科夫望远镜阵列等组成。它的目标是捕捉宇宙中飞来的高能粒子。

    高能宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子,其能量跨度为109~1020电子伏特,主要由质子和多种元素的原子核组成,并包括少量电子和光子。曹臻说:“宇宙线弥漫在整个宇宙,携带着宇宙起源、天体演化、太阳活动及地球空间环境等重要科学信息。自1912年被发现以来,研究宇宙线及其起源是人类探索宇宙的重要途径。在宇宙线的研究中,发现了许多基本粒子,开创了粒子物理学,诞生了5位诺贝尔奖得主。”

    清华大学教授崔伟解释称,由于光在水中的传播速度较慢,一些宇宙射线粒子进入水中时会出现比光速快的现象,并产生冲击波,发出的辐射会令水分子发出蓝紫光。探测器通过探测到这些蓝紫光来捕获宇宙线粒子信息。

    按照建设计划,LHAASO到2021年才能全部完工。可到今年4月底,由1800个探测器组成的、灵敏面积达22500平方米的一号水切伦科夫探测器阵列,两台广角切伦科夫望远镜,180台电磁粒子探测器和80个缪子探测器已经建好,具备了初步的观测条件。迫不及待的科学家们采用了边建设边运行的模式开始了他们的科学探索之旅。

    按照建设计划,LHAASO到2021年才能全部完工。可到今年4月底,由1800个探测器组成的、灵敏面积达22500平方米的一号水切伦科夫探测器阵列,两台广角切伦科夫望远镜,180台电磁粒子探测器和80个缪子探测器已经建好,具备了初步的观测条件。迫不及待的科学家们采用了边建设边运行的模式开始了他们的科学探索之旅。

    曹臻这样描述宇宙线的重要作用:它是“银河陨石”,是传递“宇宙大事件”的信使,是发现“宇宙加速器”的探针。

    基于观测数据,本次投入观测的一号阵列就可以在伽马暴高能辐射探测、银河系外耀变源探测与观测、银河系内伽马射线源的深度观测等方面与国际同类实验展开合作研究。

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    之所以称其为“银河陨石”,曹臻说:“陨石是我们了解地外天体的重要样本,但我们迄今没办法得到太阳系外特别是银河系外其他天体的样本。于是,它们发射出的宇宙线,就成了我们了解银河系的窗口。”

    此次首批探测器投入科学观测倍受国内外专家的关注。4月27日,来自中国、美国、日本、德国、法国、意大利、俄罗斯、瑞士等国的专家学者将赶赴观测站现场考察,并对第一阶段的科学观测目标进行深入探讨,促进国际各类大型天文观测实验的合作研究。

    高能的宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子,其能量跨度为109—1020电子伏特,主要由质子和多种元素的原子核组成,并包括少量电子和光子。LHAASO首席科学家、项目经理,中科院高能物理所研究员曹臻说,宇宙线弥漫在整个宇宙中,它携带着宇宙起源、天体演化、太阳活动及地球空间环境等多种重要的科学信息。“自1912年宇宙线被发现以来,研究宇宙线及其起源便成了人类探索宇宙的一条重要途径。在以往的有关宇宙线的研究中,科学家发现了许多的基本粒子,开创了粒子物理学。并由此诞生了5位诺贝尔奖获得者。”

    高能的宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子,其能量跨度为109—1020电子伏特,主要由质子和多种元素的原子核组成,并包括少量电子和光子。LHAASO首席科学家、项目经理,中科院高能物理所研究员曹臻说,宇宙线弥漫在整个宇宙中,它携带着宇宙起源、天体演化、太阳活动及地球空间环境等多种重要的科学信息。“自1912年宇宙线被发现以来,研究宇宙线及其起源便成了人类探索宇宙的一条重要途径。在以往的有关宇宙线的研究中,科学家发现了许多的基本粒子,开创了粒子物理学。并由此诞生了5位诺贝尔奖获得者。”

    LHAASO项目副经理、中国科学院高能物理研究所研究员何会海介绍,高能量的宇宙线粒子,可能产生于剧烈的宇宙事件,“比如超新星爆发、巨大星系中心的超大规模黑洞爆发等事件,可能产生宇宙线。目前的研究结果显示,超过1018电子伏特的粒子都应该是来源于银河系外,研究宇宙线能让我们知道宇宙中究竟发生了什么”。

    之后,按照设计规划,整体工程将在2021年建设完成,装置正式运行后将在1000亿到50万亿电子伏特的能区开展伽马射线源的巡天普查,在50万亿到1拍电子伏特以上的能区对伽马射线能谱进行精确测量,二者均将达到1%蟹状星云伽马射线辐射流强的高灵敏度,并对50万亿到1000拍电子伏特的宇宙线能谱进行精确测量。

    曹臻把宇宙线称为“银河陨石”,是传递“宇宙大事件”的信使,是发现“宇宙加速器”的探针。因为“陨石是我们了解地外天体的重要样本,但我们迄今没办法得到太阳系外特别是银河系外其他天体的样本。于是,它们发射出的宇宙线,就成了我们了解银河系的窗口”。

    曹臻把宇宙线称为“银河陨石”,是传递“宇宙大事件”的信使,是发现“宇宙加速器”的探针。因为“陨石是我们了解地外天体的重要样本,但我们迄今没办法得到太阳系外特别是银河系外其他天体的样本。于是,它们发射出的宇宙线,就成了我们了解银河系的窗口”。

    宇宙线是高能粒子的唯一来源。曹臻解释,人类用电子对撞机能够产生高能粒子。“但宇宙线中高能粒子的能量远超出最高能量对撞机所能产生的粒子,比北京正负电子对撞机粒子能量高1000亿倍。”曹臻说,“这个‘宇宙加速器’究竟在哪儿?是什么加速原理?我们能不能把这种原理应用到未来对撞机的建设中?”

    “高能物理学家一直在建造各种各样的加速器,但宇宙中的‘天然加速器’,能够轻而易举地将粒子加速到人类建造的加速器所能达到最大能量的1000万倍,这太令人费解了。”曹臻说,“我们建造高海拔宇宙线观测站就是试图去解开这个谜底,它的发现或许能为人类打开一扇新的窗户,去研究超越现有认知的新物理。”

    宇宙线的起源一直是科学界公认的重大前沿问题,成为粒子物理学、天文学、天体物理学共同关注的科学命题,在欧美科学决策机构凝练出的6个或11个基础科学难题中均位列前5。

    宇宙线的起源一直是科学界公认的重大前沿问题,成为粒子物理学、天文学、天体物理学共同关注的科学命题,在欧美科学决策机构凝练出的6个或11个基础科学难题中均位列前5。

    核心目标:解开宇宙线起源的世纪谜题

    据了解,高海拔宇宙线观测站是我国“十二五”期间立项建设的国家重大科技基础设施,该装置由电磁粒子探测器阵列、缪子探测器阵列、水切伦科夫探测器阵列、广角切伦科夫望远镜阵列等组成。其主要科学目标为探索高能宇宙线起源,开展相关的宇宙演化、高能天体演化和暗物质的研究。项目主体工程于2017年6月在海拔4410米的四川省稻城县海子山启动。

    当年在设计LHAASO的科学目标时,中国科学家计划将在3个方面达到世界领先水平。一是具有超高能伽马射线探测灵敏度,在高于1013电子伏特的能量区域,LHAASO比欧洲计划高十几倍,能够长期占据这类实验研究领域的制高点;二是具有甚高能伽马射线巡天普查灵敏度,比美国HAWC实验灵敏度高三四倍;三是宇宙线能谱和成分精确测量装置中具有最宽广能量覆盖度。

    当年在设计LHAASO的科学目标时,中国科学家计划将在3个方面达到世界领先水平。一是具有超高能伽马射线探测灵敏度,在高于1013电子伏特的能量区域,LHAASO比欧洲计划高十几倍,能够长期占据这类实验研究领域的制高点;二是具有甚高能伽马射线巡天普查灵敏度,比美国HAWC实验灵敏度高三四倍;三是宇宙线能谱和成分精确测量装置中具有最宽广能量覆盖度。

    据曹臻介绍,LHAASO有三个科学目标:探索宇宙线起源、对伽马射线源进行巡天普查、暗物质探测等新物理前沿研究。“探索宇宙线起源是LHAASO的核心目标,这也是现代物理学中最基础的问题之一,被称为世纪谜题。”

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    虽然LHAASO的建设时间刚刚走过了一半,但初步用于观测的水切伦科夫探测器阵列一号阵列,其巡天灵敏度比国际上最高灵敏度的同类装置就高出30%,从而成为全世界同类装置中灵敏度最高的探测器。

    虽然LHAASO的建设时间刚刚走过了一半,但初步用于观测的水切伦科夫探测器阵列一号阵列,其巡天灵敏度比国际上最高灵敏度的同类装置就高出30%,从而成为全世界同类装置中灵敏度最高的探测器。

    探索宇宙线起源很难,因为绝大多数宇宙线是带电粒子,在传播过程中会因星际或星际磁场的作用发生偏转,到达地球时已经丧失了原初的方向信息,所以无法反推发射出宇宙线的源天体,从而无法研究其产生的机制和加速原理。

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    为了解决这个问题,科学家们发展出三种测量中性粒子的方法:极高能宇宙线粒子、超高能中微子和甚高能伽马射线。曹臻说,极高能宇宙线粒子和超高能中微子事例极为稀少,探测困难,仍处于起步阶段,目前的最优方法就是探测甚高能伽马射线。

    金沙真人赌场,水切伦科夫探测器阵列是观测阵列的主要科学设施,每天都能够对60%以上的天区进行一次扫描,不受日、月、星光及天气条件的影响,实现全天候的观测,每年将探测到5万亿个宇宙线事例,获取4PB以上的观测数据。

    水切伦科夫探测器阵列是观测阵列的主要科学设施,每天都能够对60%以上的天区进行一次扫描,不受日、月、星光及天气条件的影响,实现全天候的观测,每年将探测到5万亿个宇宙线事例,获取4PB以上的观测数据。

    金沙娱乐官网,LHAASO是第三代伽马天文探测器,与位于西藏羊八井的宇宙线观测站为代表的第一代和第二代伽马射线巡天望远镜相比,不仅更大,而且更加先进。类似众多先进技术让中国科学家们更有底气。曹臻说:“科学研究能否成功有机遇的成分。但我们相信,LHAASO对解决宇宙线起源和机制之谜形成强有力的冲击。”

    曹臻说,有了这个观测手段,我们可以在伽马暴高能辐射探测、银河系外耀变源探测与观测、银河系内伽马射线源的深度观测等方面与国际同类实验展开广泛而深入的合作研究了。

    曹臻说,有了这个观测手段,我们可以在伽马暴高能辐射探测、银河系外耀变源探测与观测、银河系内伽马射线源的深度观测等方面与国际同类实验展开广泛而深入的合作研究了。

    三个世界领先:打造国际宇宙线研究中心

    js55金沙娱乐,对于这个全世界海拔最高的宇宙线观测站,中科院高能物理所副所长罗小安认为,这个观测站建成后所能带来的不仅是科学上的突破。“作为我国大科学装置在西南地区的重要布局,高海拔宇宙线观测站将打造宇宙线研究和天文观测基地,建成国际领先水平的宇宙线研究中心,并对当地的科技、文化教育、旅游以及地方经济发展产生积极的影响。”

    对于这个全世界海拔最高的宇宙线观测站,中科院高能物理所副所长罗小安认为,这个观测站建成后所能带来的不仅是科学上的突破。“作为我国大科学装置在西南地区的重要布局,高海拔宇宙线观测站将打造宇宙线研究和天文观测基地,建成国际领先水平的宇宙线研究中心,并对当地的科技、文化教育、旅游以及地方经济发展产生积极的影响。”

    伽马天文学领域的国际竞争非常激烈,但中国科学家们对LHAASO很有信心。曹臻介绍,LHAASO将在三个方面达到世界领先水平。一是具有超高能伽马射线探测灵敏度,在高于1012电子伏特的能量区域,LHASSO比欧洲计划高十几倍,能够长期占据这类实验研究领域的制高点。二是具有甚高能伽马射线巡天普查灵敏度,比美国HAWC实验灵敏度高三四倍。三是具有宽广能量覆盖度的宇宙线能谱和成分精确测量装置。

    来源:科技日报 文中图片来自网络

    站在4410米的高原上,看着远处正在筹备开工的人们,曹臻说,LHAASO将建设有强大国际竞争力、独具特色、综合开放的科学研究平台,与现有的国际三大宇宙线研究中心——位于南美的3000平方公里的极高宇宙线AUGER实验,南极的立方公里中微子ICECUBE实验,欧洲的伽马天文定点观测CTA装置,一起成为该领域支柱性实验装置,并形成极好的互补。

    编辑:陈小柒

    曹臻说:“LHAASO将在国际上形成强大的吸引力,会在提高伽马射线测量的空间分辨率、拓展对极高能宇宙线观测能力等方面形成国际合作,在短时间内吸引国内外新的实验加盟。LHAASO将成为国际领先水平的高海拔宇宙线研究中心之一。”

    审核:管晶晶

    (原载于《光明日报》 2017年06月06日06版)

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