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雪域上的堅守——捕捉來自宇宙的神秘射線
2019-10-21 19:47:14 來源: 新華社
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四川稻城高海拔宇宙線觀測站。新華社記者喻菲攝

  新華社北京10月21日電(記者 喻菲)四川稻城4400米的海子山上,中國科學家正建設200個足球場大小的宇宙線觀測站,力圖捕捉大氣中的“粒子雨”,探索宇宙中最小與最大的世界。

  工人和科研團隊將星羅棋布的巨石炸開,在地面上挖掘出一個個大坑,建造了圓形鋼筋混凝土水池,安裝光電倍增管之後再覆蓋2.5米厚的泥土,形成一個個大土包——繆子探測器,土包周圍安裝了方盒子形狀的電磁粒子探測器。這兩種探測器總數將分別達到1171個和5000多個。

  三座巨大平房覆蓋著超過三個“水立方”大小的地下水池,其中安裝3000多個水切倫科夫探測器,精確測量遙遠星體産生的高能光子。周圍架設的12臺廣角切倫科夫望遠鏡將用于最高能量的宇宙線能譜高精度測量。

  高海拔宇宙線觀測站(LHAASO,音譯為“拉索”)首席科學家、中科院高能物理所研究員曹臻説,目前項目進展順利,預計今年底將完成工程一半,2020年底基本建成。

  宇宙高能“子彈”

  廣袤宇宙中除了繁星,還隱藏一個秘密。無數粒子正以接近光的速度飛馳,它們就是宇宙線。

  1912年奧地利物理學家維克多·赫斯意外發現了宇宙線。這些産生于宇宙深處的高能“子彈”,把人類對物質世界的認識深入到粒子層面,並把無限小的微觀世界與無限大的宇觀世界聯係起來。

  科學發現,在靠近地球的太空中,每分鐘約有一個宇宙線粒子穿過一枚硬幣大小的面積。宇宙線中90%是質子,其次是氦核,約佔9%,剩下是其他各種元素的原子核、少量光子、電子、中微子以及反物質粒子等。

  宇宙線發現後的100多年來,與之相關的研究獲得5次諾貝爾獎,但人類還不清楚高能宇宙線的主要來源。什麼樣的物理過程把這些粒子加速到如此高的能量?它們飛往地球的旅途中經歷了什麼?它們在宇宙演化各階段起什麼作用?

  世界各國紛紛投入資金與設備對其展開研究,中、美、俄、日、德等國家建有宇宙線觀測站。

無人機拍攝的高海拔宇宙線觀測站施工現場。新華社記者金立旺攝

  起步

  中國的宇宙線研究幾乎與新中國同齡。上世紀50年代中國科學家在雲南一座3200米的山峰上建設中國第一個宇宙線實驗室——落雪站。當時實驗設施算得上是世界上規模最大、水平最先進的同類裝置之一。

  然而,“文革”使研究工作受到影響。當中國科學家重新能夠專注科研時,發現與他們與國際水平差距巨大。

  改革開放後,高能物理所研究員譚有恒到日本留學。日本先進的綜合性空氣簇射陣列讓他開了眼界,産生了在中國做類似實驗的想法。他回國後申請經費,希望在中國建設世界級宇宙線觀測基地。

  在他保存的紙張泛黃的材料中記錄著他的初心:“要使中國的生産和技術具有持續發展的活力,必須有自己的基礎科研作背景……”

  1989年,在譚有恒等人的帶領下,西藏羊八井宇宙線國際觀測站開始建設,開展了中日合作ASgamma實驗和中意合作ARGO-YBJ實驗。

  今年,羊八井實驗取得令人矚目的進展:探測到迄今最高能量的宇宙伽馬射線。

  “如果祖國不強大,就不會有錢來研發探測器,不會有自己的核心技術,只能跟著外國人。中國現在有經費了,但技術和經驗還需長期積累。”從2012年開始擔任中日合作實驗中方負責人的高能物理所研究員黃晶説。

  雲南一座3200米的山峰上建設的中國第一個宇宙線實驗室——落雪站。新華社記者朱于湖、李玉龍攝

  解答世紀之謎

  在羊八井實驗期間,曹臻就開始謀劃建設新一代宇宙線觀測基地,這一次他瞄準的是國際領先。他的團隊歷時五年跑遍了西藏、青海、雲南、四川等地選址。最終,稻城以高海拔、交通便利、電力穩定、水資源充足和地方政府強有力支持等優勢勝出。

  2015年底拉索項目正式立項,主要使命是尋找宇宙線源,研究宇宙線加速和傳播機制。

  近日,在拉索猶如地下宮殿、深5米的水切倫科夫探測器二號水池中已整齊安裝了900套探測器,它們不久就要被10萬噸世界上最純凈的水淹沒。

  切倫科夫探測器陣列分總體副主任陳明君説,水池中的水來自附近的高山湖泊並經過嚴格凈化,只有透明的純凈水才能讓探測器更好地記錄高能粒子産生的光信號。

  上高原的一年間,陳明君瘦了30多斤。他説,能參與大科學裝置建設感到非常幸運。

  繆子探測器負責人之一的張毅説:“我們能在這樣高寒、缺氧的惡劣自然環境中堅持科學探索,是傳承了前輩在雲南、西藏的經驗和吃苦耐勞的精神。”

  曹臻説,拉索的建設速度令國際同行讚嘆不已。這不僅是科學家們卓越的研發能力和頑強的拼搏精神的體現,也受益于目前中國工業生産能力完整的配套水平,這也是中國綜合國力提高的體現。

  他説,拉索已獲得國際同行高度關注,俄羅斯、瑞士、波蘭、捷克等國科學家希望把設備搬到這裏,澳大利亞、泰國等科研團隊將直接參與,一些國際上代表性實驗組表達了合作及聯合觀測的願望。“拉索建成後,中國有望在宇宙線研究領域實現全球領跑。”

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