世界屋脊上的觀天陣列——高海拔宇宙線觀測站“拉索”看點解析

新華社北京5月10日電 題：世界屋脊上的觀天陣列——高海拔宇宙線觀測站“拉索”看點解析

新華社記者張泉

四川稻城海子山，海拔4410米處的一大片圓形區(qū)域內，數(shù)千個不同類型的探測器緊密有序排列，形成一個巨大的觀測陣列，時刻捕捉著來自宇宙深處的信息。

這是以宇宙線觀測研究為核心目標的國家重大科技基礎設施——高海拔宇宙線觀測站“拉索”(LHAASO)。5月10日，“拉索”通過國家驗收，將致力于探索宇宙線起源之謎，并通過觀測宇宙線探索更多宇宙奧秘。

海拔4410米的觀天陣列

“拉索”占地約1.36平方公里。這個巨大陣列的中心位置，是由按“品”字排列的三個大水池組成的水切倫科夫探測器陣列，面積約78000平方米;周圍則緊密排列著5216個電磁粒子探測器和1188個繆子探測器;此外還有由18臺廣角切倫科夫望遠鏡組成的望遠鏡陣列。

“拉索”鳥瞰圖。(中科院高能物理所供圖)

宇宙線是來自宇宙空間的高能粒子，主要由氫核、氦核、鐵核等多種元素的原子核組成，并包括少量正負電子，是人類目前能從宇宙深處獲得的唯一物質樣本，被稱為傳遞宇宙大事件的“信使”。

“研究宇宙線及其起源是人類探索宇宙的重要途徑。”“拉索”首席科學家、中科院高能物理所研究員曹臻介紹，宇宙線被發(fā)現(xiàn)110多年以來，相關探索研究已產生數(shù)枚諾貝爾獎牌，但依然有眾多謎題待解，宇宙線起源被國際物理學界列為“新世紀11個科學問題”之一。

據介紹，觀測宇宙線，可以“上天”，用粒子探測衛(wèi)星尋找;可以“下?！保谒装惭b中微子望遠鏡;也可以“上山”，在高海拔地區(qū)搭建觀測站。

“在高海拔地區(qū)進行地面觀測，探測器規(guī)模可遠大于大氣層外的天基探測器。尤其在超高能量宇宙線觀測方面，由于樣本數(shù)量稀少，采用大規(guī)模探測器是唯一觀測手段。”曹臻說。

作為大型復合探測陣列，“拉索”是繼云南東川、西藏羊八井高山宇宙線觀測站之后，我國建設的第三代高山宇宙線觀測站。經過廣泛選址和實地踏勘調研，“拉索”項目最終落戶四川稻城海子山。

“‘拉索’是世界上重要的粒子天體物理支柱性實驗設施之一，將助力我國在高能伽馬射線天文領域的研究邁向國際領先水平?！辈苷檎f。

觀測性能創(chuàng)三項“世界之最”

得益于世界屋脊的高海拔優(yōu)勢和關鍵核心技術的突破，“拉索”創(chuàng)造了三項“世界之最”——超高能伽馬射線探測靈敏度世界最高，甚高能伽馬射線源巡天普查靈敏度世界最高，超高能宇宙線能量覆蓋范圍世界最寬。

廣角切倫科夫望遠鏡SiPM相機。(中科院高能物理所供圖)

宇宙線粒子進入大氣層后，會和大氣中的原子核發(fā)生相互作用，產生許多次級粒子，次級粒子則繼續(xù)重復同樣的過程，產生新的次級粒子，如此多次重復，到達地面時就像下了一場粒子“陣雨”。

“拉索”總工藝師、中科院高能物理所研究員何會海說，“拉索”采用四種探測技術，可全方位接收粒子“陣雨”的信息，并開展多變量精確測量。

其中，水切倫科夫探測器陣列用于觀測粒子“陣雨”中的次級粒子在水中產生的切倫科夫光，以求發(fā)現(xiàn)大量伽馬射線源;廣角切倫科夫望遠鏡陣列用于測量粒子“陣雨”的切倫科夫光或熒光;電磁粒子探測器陣列和繆子探測器陣列則分別測量粒子“陣雨”中的次級電磁粒子和繆子含量。

何會海介紹，“拉索”項目團隊突破了廣角切倫科夫望遠鏡不能在月夜工作的瓶頸，使有效觀測時間成倍增長;發(fā)展了大面積、多節(jié)點、高精度時鐘同步技術;把觀測閾能從3000億電子伏降低到700億電子伏，大大擴展了觀測能力。

向宇宙線起源之謎發(fā)起沖擊

“我們將向著科學前沿課題——宇宙線起源之謎發(fā)起沖擊!”曹臻滿懷信心。

“拉索”上方的星空。(中科院高能物理所供圖)

據介紹，基于超高的探測靈敏度，“拉索”在初步運行期間已取得多項突破性科學成果，包括：在銀河系內發(fā)現(xiàn)大量超高能宇宙加速器候選天體，記錄到人類觀測到的最高能量光子，精確測定了標準燭光蟹狀星云的超高能段亮度，發(fā)現(xiàn)1千萬億電子伏伽馬輻射等。

“拉索”面向國內外全面開放共享，目前已有28個天體物理研究機構成為“拉索”的國際合作組成員單位。合作組利用“拉索”觀測數(shù)據開展粒子天體物理研究，同時進行宇宙學、天文學等眾多領域基礎研究。

截至目前，基于“拉索”項目發(fā)表的期刊論文超過200篇，會議論文超過150篇。

“‘拉索’將成為以中國為主、多國參與的國際宇宙線研究中心，借助高海拔伽馬天文、宇宙線的觀測優(yōu)勢，成為獨具特色、綜合開放的科學研究平臺?！辈苷檎f。