【科技日報】破解宇宙線「世紀之謎」

　　近日，中國科學院高能物理研究所、四川省甘孜州人民政府、中科院成都分院在成都籤署協議，計劃在四川省甘孜州稻城縣海子山建造一座高海拔宇宙線觀測站（ＬＨＡＡＳＯ），以研究宇宙線的起源。排名21世紀11大科學難題之一的宇宙線起源問題，未來或許將在四川揭曉謎底。

　　寂靜空曠的宇宙深處，時時刻刻都有人們看不見的宇宙線穿行，對宇宙線的觀測和研究是人們探索大自然的重要手段之一。經過7年論證，這個人類歷史上耗資第二大的宇宙線觀測站最終落戶四川省甘孜州稻城海子山，這是我國重大科技基礎設施建設的又一裡程碑事件。利用觀測站，科學家將「對話」宇宙，破解宇宙線起源的世紀謎題。

　　研究宇宙線有啥用？

　　宇宙線亦稱為宇宙射線，是來自於外太空的高能帶電粒子流，由奧地利科學家韋克多·漢斯於1912年首次發現。到達地球的原初宇宙線粒子的成分主要是多種原子核，可從氫核（即質子）按元素周期表一直排到鐵核，但以氫核居多；還包括含量很少的中微子、電子、光子等粒子。但宇宙線中各組分的具體比重尚不清楚。自宇宙線被發現一個世紀以來，科學家們對其展開了艱辛的探索，但始終未能揭示宇宙線的起源，宇宙線來自何方已成為「世紀之謎」。2002年，美國國家研究委員會將宇宙線的起源列為在21世紀需要解答的11個宇宙相關難題之一。探究宇宙線的起源，是海子山觀測站項目啟動的最基本動機。探測宇宙線中各組分的比重及隨能量的變化，也是該項目所研究的核心問題之一。

　　「研究宇宙線對人類認知宇宙的構成、演化以及宇宙對粒子的加速機制有重要意義。」高海拔宇宙線觀測站首席科學家、中國科學院高能物理研究所研究員曹臻告訴科技日報記者，宇宙線對於研究宇宙構成具有重要作用。宇宙線是宇宙構成中不可或缺的部分，它是來自外太空的高能粒子。對於太陽系之外遙遠的宇宙空間，我們只能通過觀測宇宙線來獲取宇宙構成的物質樣本。研究宇宙線的成分和豐度就是研究宇宙到底由哪些物質構成。

　　「雖然還不清楚宇宙線的成因，但是科學家發現，宇宙線的壽命、它們在宇宙中運行的時間和距離等特性會隨著宇宙的演化而演化。通過分析宇宙線的基本性質，我們可以得到關於整個宇宙演化過程的一些證據。」曹臻說，如果找到宇宙線的起源位置，比如說確定為某個天體、某個星系的中央區域或者黑洞等，人們就能更加仔細的研究宇宙線的源天體的演化歷程，進而分析整個宇宙的演化。

　　此外，宇宙線每個粒子的能量非常高。迄今記錄到的最高能量的宇宙線粒子的能量達到 3×1020電子伏特，比人類製造的最大加速器，即歐洲核子研究中心的大型強子對撞機（LHC）產生的粒子能量還要高約3000萬倍。人類利用現在掌握的技術，無法在地球上建造一個能把粒子能量加速到宇宙線能量級別的加速器。倘若我們能夠破解宇宙線的起源之謎，也將揭示這個宇宙加速器的工作機理，這對人類科技發展意義重大。

　　為什麼選擇海子山？

　　曹臻表示，四川海子山將要建造的觀測站將重點關注宇宙線中的高能伽馬射線（γ光子），這需要在高海拔地區進行觀測和研究。宇宙線粒子進入大氣層後會被大氣吸收。海拔越高，空氣越稀薄，探測器就能捕獲到更多的目標粒子。此外，大氣的吸收也會導致探測器測量結果產生額外的漲落。因此，海拔越高，測量結果就越精確。國際上公認的，能夠找到4000米以上高海拔站點的地方只有南美洲的安第斯山脈和中國的青藏高原。而青藏高原作為「世界屋脊」，其地理條件比安第斯山脈更優越，而海子山就地處青藏高原。

　　除海拔因素外，影響觀測站選址的因素還包括當地的交通、電力、通訊、水資源等多種因素。他說：「我們經過7年的科學預研、選址考察以及

　　專家論證，通過對青海、西藏、雲南、四川4個省區幾十個站址的各種條件進行綜合分析，形成了非常詳細的選址評估報告，最終確定四川省甘孜州稻城縣海子山是條件最為優越的站址。稻城縣擁有極佳的觀測條件：高海拔、靠近機場、穩定的電力和通訊條件，以及充足的水資源。」

　　新觀測站優勢在哪？

　　據了解，海子山觀測站將安裝超大型伽馬源全天普查望遠鏡和由閃爍體探測器、繆子探測器組成的巨型宇宙線簇射探測器陣列、寬視場契倫科夫成像望遠鏡陣列、簇射芯探測器陣列。

　　曹臻指出，海子山觀測站計劃將5種探測器集成為一個覆蓋一平方公裡的複合探測器陣列。「為精準測定一個到達地球的宇宙線粒子的包括其能量、電荷種類、到達方向等在內的多重物理性質，我們需要建立一系列的實驗探測裝置並組合到一起，對一個事例進行多參數的測量。儘可能多的捕捉該粒子全部的物理信息。再將所得到的信息綜合分析，才能全面精準的判定所捕獲粒子的物理性質。」

　　曹臻表示，與自1989年投入運行的西藏羊八井觀測站相比，海子山觀測站探測器的規模和性能將增大幾十倍甚至幾百倍，而且探測靈敏度大幅度提高。就宇宙線中光子的探測能力而言，在低能區，海子山觀測站的探測能力是羊八井觀測站的30多倍；在高能區，其則是羊八井觀測站的300多倍。

　　目前國際上能夠與海子山觀測站比肩的探究宇宙線的大型科學裝置，只有阿根廷極高能宇宙線觀測站、南極中微子天文臺和智利切倫科夫望遠鏡陣列。與國外類似裝置相比，海子山觀測站同樣獨具優勢。曹臻指出，宇宙線中的中微子和光子不帶電，均可以用來尋找源天體。南極中微子天文臺主要探測中微子，海子山觀測站則主要探究光子。「目前，只有智利契倫科夫望遠鏡陣列和我國海子山觀測站對光子進行深入研究，二者在很大程度上存在競爭。但是智利契倫科夫望遠鏡列陣主要針對低能區，進行瞄準已知源天體的研究，其優勢集中在低能區。而海子山觀測站的優勢集中在寬視場的全天普查和高能區的精確測量。在高能區的觀測，我們比國外要強十幾倍。另外，智利契倫科夫望遠鏡列陣更多關注天文領域，而我們還能關注高能物理方面的研究。」

　　除了觀測還能幹啥？

　　曹臻表示，四川海子山觀測站投入運行後，將是我國在宇宙線研究領域裡第一次在國際上佔據領先地位。新的探測器系統建成之後將產生三個世界第一。「就光子探測而言，在高能區，我們的靈敏度全世界最高。就宇宙線帶電粒子測量而言，我們的能量覆蓋等級全世界最高、最寬廣。在利用巡天模式去尋找是否存在光子源方面，我們的巡天觀測普查能力世界最強。在這三個優勢條件下，我們的科學家和科研工作者就可以產生出世界一流的研究成果。」

　　中國科學院高能物理研究所所長王貽芳說：「中國的宇宙線研究始於上世紀50年代，但在很長一段時間內，我們主要是對國際上相關研究進行跟蹤和學習。我們希望能夠走到國際前沿，佔據世界領先地位。四川海子山觀測站的建成將使我們真正具備國際領先水平。未來，中國的宇宙線研究將會在國際上佔有非常重要的地位。在開展宇宙線研究60多年後，我們終於走到了世界前沿。」

　　此外，海子山觀測站也將會是大學和科研院所的教學基地。曹臻說，海子山觀測站的合作是建立在一個大合作組的基礎之上。在目前20多個合作單位中，除中國科學院相關研究所之外，其餘大部分來自大學。各研究所和院校在海子山觀測站內，不僅能夠培養高精尖的科研人才，也可以以此作為教學實驗基地，開展物理學、天文學等學科的教學活動。「海子山觀測站將至少運行20年。在此期間，我們將為國家培養數百名科研人才，這對我國的科研和教育事業意義重大。」

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　　探索宇宙線起源為何這樣難？

　　宇宙線起源的探尋之所以如此困難，是因為宇宙線中絕大部分粒子是帶電粒子，它們在宇宙中飛行的時候總會受到磁場影響發生偏轉，逐漸失去了原來的方向。因此根據地球上觀測到的宇宙線到達方向，很難反推出宇宙線發射源的方向。而隨著宇宙線能量的升高，磁場對宇宙線的偏轉能力也隨之減小，所以當宇宙線的能量高到某一程度時，所觀測到的宇宙線的到達方向能夠近似反映其發射源所在的方向。所以，正是為了逮住這些極為稀少的高能量宇宙線，必須建設龐大的觀測設備。

　　極高能宇宙線稀少到什麼程度呢？在1平方公裡的面積上100年才可能落下一個。要積累到足夠用於物理分析的統計量，需要建造面積巨大且能長時間運行的探測器，如著名的俄歇觀測站的探測器覆蓋面積達到3000平方公裡，但要積累足夠多的極高能宇宙線粒子，仍然需要觀測10年甚而更長的時間。

　　人類迄今探測到的最高能量的粒子，是落在美國Utah沙漠裡的探測裝置Fly's Eye附近的宇宙線粒子, 它的能量是世界最大加速器產生的質子能量的4000萬倍。像這樣的高能粒子並不容易測到, 平均而言, 一平方公裡一個世紀可以等到一個。

　　（原載於《科技日報》 2015-09-18 07版）