位于四川稻城海子山上，海拔4410米的“拉索”是我國自主提出、設(shè)計、建造的新一代伽馬射線望遠(yuǎn)鏡和宇宙線探測裝置。作為110年來人類研究宇宙線的最大實驗裝置之一，它將伽馬天文學(xué)研究帶入了人類從未觀測過的新波段。尚未完全建成時，它已發(fā)現(xiàn)了超過1PeV(拍電子伏特，P是10^15)的超高能宇宙粒子。未來十幾年，它將迎來更多宇宙發(fā)現(xiàn)的高光時刻，助力科學(xué)家撥開宇宙線起源的迷霧。
▲位于海拔4410米高原的高海拔宇宙線觀測站“拉索”
看似空空蕩蕩的星際空間中，其實有無數(shù)肉眼無法看見的粒子以接近光速的速度在飛行。它們攜帶著各自誕生地的奧秘，穿行于星際空間，其中一些會“撞上”地球，留下極其細(xì)微的蛛絲馬跡。它們就是宇宙線粒子。
自1912年確證宇宙線的存在，人類又多了一條探索宇宙奧秘的新路徑。百余年來，人類不斷突破宇宙線探測的能量極限，并對高能宇宙線進(jìn)行溯源。隨著高海拔宇宙線觀測站“拉索”的正式運行，立身于青藏高原最大的古冰體遺跡——海子山上，這個方圓1.36平方公里的“大圓盤”，將從宇宙“灑”向地球的帶電粒子中，發(fā)現(xiàn)宇宙深處的未知世界，助力中國粒子天體物理研究走向世界最前沿。
1PeV以上的宇宙不再“透明”
宇宙是透明的嗎?人類能夠看到宇宙的全部嗎?對于物理學(xué)家而言，這樣的問題并不容易回答。
1912年，奧地利物理學(xué)家維克托·赫斯乘坐氣球飛到5300米高空時，探測到那里的電離率增長到大約地面的四倍，由此得出“一種高穿透力的射線從上部進(jìn)入大氣層”的結(jié)論。他因這一被后人命名為“宇宙射線”(又稱“宇宙線”)的發(fā)現(xiàn)，獲得了1936年諾貝爾物理學(xué)獎。
宇宙射線的能量可以有多高?我們?nèi)搜鬯芸匆姷目梢姽猓涔庾幽芰繛閹讉€電子伏特(eV)。太陽通過內(nèi)部氫核聚變所產(chǎn)生的伽馬射線，能量就達(dá)到了MeV(百萬電子伏特，M是10^6)。而高能宇宙射線的能量卻可達(dá)到GeV(十億電子伏特，G是10^9)以上。
上世紀(jì)90年代，由美國發(fā)射的GRO(Gamma Ray Observatory)衛(wèi)星探測器開啟了GeV伽馬天文學(xué)時代，大大拓展了人類認(rèn)識宇宙的眼界。1989年，美國亞利桑那州惠普爾天文臺成功發(fā)現(xiàn)了首個具有0.1TeV(千億電子伏特，T是10^12)以上伽馬輻射的天體，標(biāo)志著甚高能(一般指100GeV-100TeV)伽馬射線天文學(xué)時代的開啟。在隨后的30年里，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了超過兩百個甚高能伽馬射線源。2019年，中國西藏羊八井國際宇宙線觀測站發(fā)表了迄今為止最高能區(qū)的彌散伽馬射線輻射觀測結(jié)果，其最高能量接近1PeV。
為何科學(xué)家對于超過1PeV的超高能粒子如此關(guān)注?從某種意義上說，這是對人類探索宇宙邊界的又一次拓展。
宇宙大爆炸是20世紀(jì)天體物理的四大發(fā)現(xiàn)之一。在大爆炸百億年之后，整個宇宙中彌漫著3K微波背景輻射。當(dāng)PeV以上能量的光子遇到宇宙微波背景輻射中的這些低能光子時，就會發(fā)生碰撞，從而消耗能量。從理論上推斷，宇宙微波背景輻射會吸收掉能量超過7萬PeV的任何一種帶電宇宙粒子或能量在1PeV以上的伽馬射線——它就好像一堵墻，把人類賴以探索宇宙的伽馬射線中超高能的部分擋住了。
▲“拉索”航拍圖
“有個形象的描述：在1PeV以上，宇宙就不再是‘透明’的了。”“拉索”首席科學(xué)家、中科院高能物理研究所研究員曹臻說，就在2019年至2020年間，當(dāng)時僅建成1/2規(guī)模的“拉索”用不到一年的觀測數(shù)據(jù)，就將超高能伽馬射線源數(shù)量提升到了12個，甚至發(fā)現(xiàn)了1.4PeV的伽馬光子——這打開了人類探索極高能現(xiàn)象的前沿，同時也意味著基本物理規(guī)律可能被撼動。
迄今為止，人類在地球上建造的最大加速器(歐洲核子研究中心的大型強子對撞機LHC)只能將粒子加速到0.01PeV。而PeV射線的存在表明，在銀河系內(nèi)遍布著能夠?qū)щ娏Ｗ蛹铀俚絇eV的天然加速器。
這些PeV天然加速器究竟在何方?它們又是如何加速粒子的?顯然，科學(xué)家需要重新認(rèn)識銀河系高能粒子的產(chǎn)生、傳播機制，進(jìn)一步研究極端天體現(xiàn)象及其相關(guān)的物理過程，并在極端條件下檢驗基本物理規(guī)律。
超高能宇宙線的中國探索
宇宙線研究雖然始于110年前，但仍是一門“年輕”的學(xué)科，至今還沒有一個“標(biāo)準(zhǔn)模型”完整描述其起源、加速機制、星際空間傳播。這意味著還有大量的未解之謎需要科學(xué)家來解答。
然而，要尋找這樣的超高能宇宙線是極其困難的。因為當(dāng)它們進(jìn)入大氣后，就會與大氣中的氧或氮原子核發(fā)生碰撞，一變二、二變四、四變八地引發(fā)“級聯(lián)反應(yīng)”(也稱“簇射過程”)。科學(xué)家可以通過這些高能宇宙線在大氣中或到達(dá)地面后留下的蹤跡，反推出它們的存在。
▲簇射過程示意圖(圖片來源：NATURE)
百余年來，每一個劃時代的探測器投入觀測，由于其領(lǐng)先的探測靈敏度，都必然會帶來新的發(fā)現(xiàn)，甚至開創(chuàng)一個新的研究時代。對于由實驗主導(dǎo)的宇宙線研究領(lǐng)域來說，提升觀測裝備的靈敏度，成為各國在該領(lǐng)域競爭的一個焦點。
中國的宇宙線觀測與研究起步于新中國成立初期。當(dāng)時，王淦昌、張文裕、何澤慧、肖健等科學(xué)家回國，在云南昆明東川一座3200米的山峰上，建起了中國第一個宇宙線實驗室——落雪站，開啟了中國宇宙線觀測研究。
上世紀(jì)80年代，留學(xué)日本的中國科學(xué)院高能物理研究所研究員譚有恒，在見到日本先進(jìn)的綜合性空氣簇射陣列后，產(chǎn)生了在中國建設(shè)世界級宇宙線觀測基地的想法。1989年，譚有恒等人提出在西藏建立第一代伽馬天文學(xué)探測基地——羊八井宇宙線國際觀測站。
在雪域高原堅守30年，羊八井觀測站積累了豐厚的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了幾十個伽馬射線事件。“在那之后，我們基本處于國際第一梯隊，但仍不算領(lǐng)先。”身為譚有恒的弟子，曹臻的思考更進(jìn)一步，“如果國家再給一次比較大的支持，我們能不能達(dá)到國際領(lǐng)先?”
進(jìn)入21世紀(jì)的第一個十年，世界各國紛紛提出下一代伽馬天文觀測大科學(xué)裝置計劃：歐洲國家提出建造100多臺切倫科夫望遠(yuǎn)鏡組成觀測陣列的計劃;美國則選擇了一條通過升級改造來適當(dāng)提高靈敏度的高海拔水切倫科夫探測器計劃。
▲電磁粒子探測器團(tuán)隊在現(xiàn)場進(jìn)行探測器定位工作。
中國怎么辦?經(jīng)過多年醞釀，建設(shè)中國第三代宇宙線觀測裝置——高海拔宇宙線觀測站的“拉索”方案經(jīng)過層層選拔后勝出。
2013年獲得國家發(fā)改委批準(zhǔn)立項，成為我國“十二五”期間建設(shè)的一項國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。
2015年，國家發(fā)改委批準(zhǔn)“拉索”的項目建議書，標(biāo)志項目在四川稻城海子山落地。
2016年，四川省發(fā)改委批準(zhǔn)了配套設(shè)施項目的初步設(shè)計，并于當(dāng)年5月動工。
2017年，主體項目初步設(shè)計獲得中國科學(xué)院及國家發(fā)改委批準(zhǔn)，決定建設(shè)由7.8萬平方米水切倫科夫探測器、平方公里陣列(由地面電磁粒子探測器和地下繆子探測器組成)、切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列三個子陣列組合而成的復(fù)合型宇宙線/伽馬射線探測大科學(xué)裝置。
2021年7月，“拉索”正式建成。由3120個水切倫科夫探測器單元、5216個電磁粒子探測器、1188個繆子探測器、18臺望遠(yuǎn)鏡組成的完整陣列全部建成，并投入穩(wěn)定運行。
在無人區(qū)挺進(jìn)科研“無人區(qū)”
海拔4400多米的高山上，空氣稀薄而寒冷。每年10月中旬，甘孜州稻城縣海子山的氣溫就已降到0℃附近。高寒缺氧、氣候惡劣、物資匱乏，在這片無人區(qū)建設(shè)觀測站，意味著未來還有長年累月的值守。
不過，這一切在曹臻看來都非常值得。這是他和團(tuán)隊花費了五年，跑遍了西藏、青海、云南、四川等所有具備高海拔特征的區(qū)域，才找到的滿足“天時地利人和”所有條件的“風(fēng)水寶地”。
當(dāng)高能宇宙線進(jìn)入大氣層，非常容易被大氣吸收。因此，空氣越稀薄的地方越適合建觀測站。相對于低海拔站址，在高海拔地區(qū)更容易實現(xiàn)伽馬射線的探測。然而，考慮到建設(shè)、值守難度等因素，海拔也并非越高越好。“隨著全國性基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模建設(shè)，機場、道路、數(shù)字光纖干線等迅速覆蓋了不少高海拔區(qū)域，這為我們建設(shè)現(xiàn)代化伽馬天文觀測設(shè)施奠定了實實在在的基礎(chǔ)。”曹臻說。
如今，從空中俯瞰“拉索”，最醒目的就是中間的“品”字形方塊——水切倫科夫探測器陣列。這個探測器陣列約有2.5個“水立方”大小，是之前預(yù)研規(guī)模的300多倍。“這可以說是當(dāng)之無愧的世界第一的水切倫科夫探測器。”曹臻說，僅僅八個月的觀測，它就輕松超越了“世界第二”7年實驗的累計靈敏度。
▲廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列
▲由電磁粒子探測器陣列和繆子探測器陣列組成的一平方公里陣列)
為充分利用觀測資源，“拉索”采取了邊建設(shè)、邊觀測的方式。平方公里陣列在建成1/2時，其靈敏度就超過了上一代探測器，把科學(xué)家?guī)肓艘粋€從未探索過的“無人區(qū)”，即能量超過0.1PeV的能量區(qū)間。經(jīng)過11個月的觀測，“拉索”發(fā)現(xiàn)了銀河系內(nèi)12個正在輻射0.1PeV以上光子的射線源，并將它們正式定名為“超高能伽馬射線源”。
“拉索”的切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列，具有在PeV能區(qū)最精確的測量能力，能夠精確測量1PeV宇宙線的成分及其能譜。“這在國際上也是獨一無二的，‘拉索’是這個能區(qū)精度最好的實驗裝置。”中科院高能所粒子天體物理中心副主任姚志國告訴記者。
自建成至今，“拉索”團(tuán)隊幾乎與世界上所有的中微子望遠(yuǎn)鏡實驗、甚高能伽馬望遠(yuǎn)鏡實驗團(tuán)隊簽下了研究合作備忘錄。美國《天文學(xué)及天體物理十年規(guī)劃》將“拉索”列為“世界領(lǐng)先的實驗”，希望本國的切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列(CTA)和南天大視場伽馬射線天文臺(SWGO)能盡快建成，與“拉索”一爭高下。
曹臻說，如今的“拉索”已經(jīng)站到了一個新的起點上，這臺最靈敏的超高能伽馬望遠(yuǎn)鏡，將挑戰(zhàn)宇宙線研究的最前沿，也將成為更多國際合作的大舞臺。
“拉索”自主研發(fā)亮點
20英寸光電倍增管 打破國際壟斷
俯瞰“拉索”大圓盤，最醒目的就是中間呈“品”字形的水切倫科夫探測器陣列。該陣列由兩個150米×150米、一個300米×110米的水池構(gòu)成，總面積達(dá)7.8萬平方米，相當(dāng)于2.5個國家游泳中心“水立方”。
水切倫科夫探測器利用水體來探測宇宙線產(chǎn)生的次級粒子。這些次級粒子進(jìn)入水體中，會產(chǎn)生一種非常微弱的切倫科夫光。科學(xué)家通過收集這種光的信息，得到原初宇宙線的方向和能量信息。為了收集切倫科夫光，科學(xué)家在水池底部安裝了3120個探測器單元，其中20英寸光電倍增管有2200多個——這是20英寸光電倍增管首次大規(guī)模應(yīng)用于高能物理實驗中。
▲科研人員在水切倫科夫探測器陣列內(nèi)維修20寸光電倍增管
“拉索”所用的20英寸光電倍增管是世界上光陰極面積最大的光電倍增管。這種技術(shù)原本被國外壟斷，全球僅一家公司能夠生產(chǎn)。但在國內(nèi)科研需求的驅(qū)動下，我國高技術(shù)企業(yè)在多個大科學(xué)裝置科學(xué)家的協(xié)助下，成功打破了國際壟斷，實現(xiàn)了該器件的國產(chǎn)化。這種光電倍增管原本用于江門中微子裝置，為了讓它適用于“拉索”，研發(fā)人員特地對其進(jìn)行了改造，使它能夠長年置于4.5米深的純凈水中，不僅防水，還能承受相當(dāng)?shù)乃畨骸?/p>
硅光電倍增管 月夜也可工作
“拉索”項目成功研制出基于硅光電倍增管(SiPM)相機技術(shù)的寬視場成像大氣切倫科夫望遠(yuǎn)鏡，實現(xiàn)了SiPM技術(shù)在寬視場成像大氣切倫科夫望遠(yuǎn)鏡中的首次大規(guī)模使用。其中，SiPM總靈敏面積達(dá)到4.1平方米，徹底改變了這類望遠(yuǎn)鏡不能在月夜工作的傳統(tǒng)觀測模式，成倍提高了望遠(yuǎn)鏡有效觀測時間。
SiPM是一種新型半導(dǎo)體型光電轉(zhuǎn)換器件，具有單光子計數(shù)、偏置電壓低、對磁場不敏感、結(jié)構(gòu)緊湊等特點。經(jīng)過強光照射后，返回至暗環(huán)境，SiPM的性能能夠恢復(fù)到之前的狀態(tài)，即在強曝光下SiPM不會損壞和老化。
SiPM相機是大氣切倫科夫望遠(yuǎn)鏡的“眼睛”。“拉索”中共有18臺SiPM相機，每臺相機像素高達(dá)1024個。當(dāng)大氣簇射中相對論帶電粒子產(chǎn)生的切倫科夫光被反射到SiPM相機上后，會被轉(zhuǎn)換成電信號，最終在SiPM相機上形成簇射事例圖像。
時鐘分配系統(tǒng) 精準(zhǔn)到0.1納秒
時鐘分配系統(tǒng)為“拉索”陣列中所有的探測器提供同步的參考頻率和絕對時間信息。在大范圍分散分布、總共約300公里同步光纖連接長度、晝夜溫差變化劇烈的野外條件下，該系統(tǒng)使6800個節(jié)點的時間同步精度達(dá)到亞納秒級別，性能達(dá)到國際領(lǐng)先。同時，它作為探測器物理數(shù)據(jù)信息匯總和狀態(tài)參數(shù)監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)，是連接探測器陣列和數(shù)據(jù)采集、陣列管理系統(tǒng)的骨干系統(tǒng)，能夠長期穩(wěn)定、全天候運行。
時鐘分配系統(tǒng)使用定制的多端口時鐘交換設(shè)備，采用分層結(jié)構(gòu)與多達(dá)6800個探測器實現(xiàn)連接匯總。系統(tǒng)還配置了高精度的銣原子鐘，作為頻率參考源和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)接收機時間參考源，時鐘精度為10納秒量級。
“拉索”打開高能宇宙畫卷
■曹臻
高海拔宇宙線觀測站“拉索”是110年來人類研究宇宙線最大的實驗裝置之一。它要探索的核心科學(xué)問題是尋找宇宙線的起源，不但要探測超高能伽馬射線源，還要精確測量地球附近帶電宇宙線的成分和能量分布，系統(tǒng)研究宇宙線的加速與傳播。
“拉索”的首批科學(xué)發(fā)現(xiàn)就開創(chuàng)了“超高能伽馬天文學(xué)”這一全新領(lǐng)域，展現(xiàn)出銀河系豐富多彩的宇宙線加速源的候選天體，奠定了發(fā)現(xiàn)宇宙線起源的良好基礎(chǔ)。這些發(fā)現(xiàn)在指明了隨后探索宇宙線加速機制、傳播效應(yīng)等精確研究的方向的同時，也為現(xiàn)有理論和模型提供了精確檢驗的機會。此外，這些新發(fā)現(xiàn)還對其后宇宙線、伽馬天文、中微子天文等方面的未來實驗研究提出了明確要求。
經(jīng)過多年艱苦建設(shè)，邊建設(shè)邊觀測的“拉索”已經(jīng)開啟了超高能宇宙探測之旅，并不斷有重要成果產(chǎn)生。基于領(lǐng)先的探測靈敏度，每一個劃時代的探測器投入觀測運行，必然會有新的發(fā)現(xiàn)隨之產(chǎn)生。但自然界卻并不保證，在任何一個新的窗口、波段，都會存在像超高能伽馬射線天文如此豐富的新現(xiàn)象和關(guān)鍵性的觀測證據(jù)，使我們能夠迅速地逼近核心科學(xué)問題，明確近期、中期、甚至長期努力的方向和目標(biāo)。
在整個宇宙線研究歷史上，“拉索”將扮演一個推開蘊藏著謎底的密室大門的重要角色，天然拍電子伏特(PeV)宇宙線加速器好比一個個鎖著謎底的百寶箱，已經(jīng)呈現(xiàn)在“拉索”面前。
高能宇宙的畫卷正在打開，我們將不懈努力，探索每一個PeV宇宙線加速器的超高能伽馬輻射機制和粒子加速機制，直到發(fā)現(xiàn)宇宙線起源。
