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【新华网】雪域上的坚守——捕捉来自宇宙的神秘射线

2019-10-22 新华网 喻菲
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四川稻城高海拔宇宙线观测站。新华社记者喻菲摄

无人机拍摄的高海拔宇宙线观测站施工现场。新华社记者金立旺摄

云南一座3200米的山峰上建设的中国第一个宇宙线实验室——落雪站。新华社记者朱于湖、李玉龙摄

  四川稻城4400米的海子山上,中国科学家正建设200个足球场大小的宇宙线观测站,力图捕捉大气中的“粒子雨”,探索宇宙中最小与最大的世界。

  工人和科研团队将星罗棋布的巨石炸开,在地面上挖掘出一个个大坑,建造了圆形钢筋混凝土水池,安装光电倍增管之后再覆盖2.5米厚的泥土,形成一个个大土包——缪子探测器,土包周围安装了方盒子形状的电磁粒子探测器。这两种探测器总数将分别达到1171个和5000多个。

  三座巨大平房覆盖着超过三个“水立方”大小的地下水池,其中安装3000多个水切伦科夫探测器,精确测量遥远星体产生的高能光子。周围架设的12台广角切伦科夫望远镜将用于最高能量的宇宙线能谱高精度测量。

  高海拔宇宙线观测站(LHAASO,音译为“拉索”)首席科学家、中科院高能物理所研究员曹臻说,目前项目进展顺利,预计今年底将完成工程一半,2020年底基本建成。

  宇宙高能“子弹”

  广袤宇宙中除了繁星,还隐藏一个秘密。无数粒子正以接近光的速度飞驰,它们就是宇宙线。

  1912年奥地利物理学家维克多·赫斯意外发现了宇宙线。这些产生于宇宙深处的高能“子弹”,把人类对物质世界的认识深入到粒子层面,并把无限小的微观世界与无限大的宇观世界联系起来。

  科学发现,在靠近地球的太空中,每分钟约有一个宇宙线粒子穿过一枚硬币大小的面积。宇宙线中90%是质子,其次是氦核,约占9%,剩下是其他各种元素的原子核、少量光子、电子、中微子以及反物质粒子等。

  宇宙线发现后的100多年来,与之相关的研究获得5次诺贝尔奖,但人类还不清楚高能宇宙线的主要来源。什么样的物理过程把这些粒子加速到如此高的能量?它们飞往地球的旅途中经历了什么?它们在宇宙演化各阶段起什么作用?

  世界各国纷纷投入资金与设备对其展开研究,中、美、俄、日、德等国家建有宇宙线观测站。

  起步

  中国的宇宙线研究几乎与新中国同龄。上世纪50年代中国科学家在云南一座3200米的山峰上建设中国第一个宇宙线实验室——落雪站。当时实验设施算得上是世界上规模最大、水平最先进的同类装置之一。

  然而,“文革”使研究工作受到影响。当中国科学家重新能够专注科研时,发现与他们与国际水平差距巨大。

  改革开放后,高能物理所研究员谭有恒到日本留学。日本先进的综合性空气簇射阵列让他开了眼界,产生了在中国做类似实验的想法。他回国后申请经费,希望在中国建设世界级宇宙线观测基地。

  在他保存的纸张泛黄的材料中记录着他的初心:“要使中国的生产和技术具有持续发展的活力,必须有自己的基础科研作背景……”

  1989年,在谭有恒等人的带领下,西藏羊八井宇宙线国际观测站开始建设,开展了中日合作ASgamma实验和中意合作ARGO-YBJ实验。

  今年,羊八井实验取得令人瞩目的进展:探测到迄今最高能量的宇宙伽马射线。

  “如果祖国不强大,就不会有钱来研发探测器,不会有自己的核心技术,只能跟着外国人。中国现在有经费了,但技术和经验还需长期积累。”从2012年开始担任中日合作实验中方负责人的高能物理所研究员黄晶说。

  解答世纪之谜

  在羊八井实验期间,曹臻就开始谋划建设新一代宇宙线观测基地,这一次他瞄准的是国际领先。他的团队历时五年跑遍了西藏、青海、云南、四川等地选址。最终,稻城以高海拔、交通便利、电力稳定、水资源充足和地方政府强有力支持等优势胜出。

  2015年底拉索项目正式立项,主要使命是寻找宇宙线源,研究宇宙线加速和传播机制。

  近日,在拉索犹如地下宫殿、深5米的水切伦科夫探测器二号水池中已整齐安装了900套探测器,它们不久就要被10万吨世界上最纯净的水淹没。

  切伦科夫探测器阵列分总体副主任陈明君说,水池中的水来自附近的高山湖泊并经过严格净化,只有透明的纯净水才能让探测器更好地记录高能粒子产生的光信号。

  上高原的一年间,陈明君瘦了30多斤。他说,能参与大科学装置建设感到非常幸运。

  缪子探测器负责人之一的张毅说:“我们能在这样高寒、缺氧的恶劣自然环境中坚持科学探索,是传承了前辈在云南、西藏的经验和吃苦耐劳的精神。”

  曹臻说,拉索的建设速度令国际同行赞叹不已。这不仅是科学家们卓越的研发能力和顽强的拼搏精神的体现,也受益于目前中国工业生产能力完整的配套水平,这也是中国综合国力提高的体现。

  他说,拉索已获得国际同行高度关注,俄罗斯、瑞士、波兰、捷克等国科学家希望把设备搬到这里,澳大利亚、泰国等科研团队将直接参与,一些国际上代表性实验组表达了合作及联合观测的愿望。“拉索建成后,中国有望在宇宙线研究领域实现全球领跑。”

打印 责任编辑:侯茜

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