①位于海拔4410米高原的高海拔宇宙線觀測站“拉索”。
②廣角切倫科夫望遠鏡陣列。
③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)。
④電磁粒子探測器團隊在現(xiàn)場進行探測器定位工作。(均中科院高能所供圖)
暴雪后的繆子探測器陣列。
日前，基于我國高海拔宇宙線觀測站(LHAASO，簡稱“拉索”)探測數(shù)據(jù)的論文被國際著名學術(shù)期刊《物理評論快報》選為“高亮論文”。歷經(jīng)七年建成的“拉索”，自2021年起就不斷有重磅發(fā)現(xiàn)登上《自然》《科學》《物理評論快報》等雜志。
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1015)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，助力科學家撥開宇宙線起源的迷霧。
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?對于物理學家而言，這樣的問題并不容易回答。
1912年，奧地利物理學家維克托·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，能量就達到了MeV(百萬電子伏特，M是106)。而高能宇宙射線的能量卻可達到GeV(十億電子伏特，G是109)以上。
上世紀90年代，由美國發(fā)射的GRO(Gamma Ray Observatory)衛(wèi)星探測器開啟了GeV伽馬天文學時代，大大拓展了人類認識宇宙的眼界。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1012)以上伽馬輻射的天體，標志著甚高能(一般指100GeV-100TeV)伽馬射線天文學時代的開啟。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。
“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，科學家需要重新認識銀河系高能粒子的產(chǎn)生、傳播機制，進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”的學科，至今還沒有一個“標準模型”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。因為當它們進入大氣后，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”)。科學家可以通過這些高能宇宙線在大氣中或到達地面后留下的蹤跡，反推出它們的存在。
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。當時，王淦昌、張文裕、何澤慧、肖健等科學家回國，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80年代，留學日本的中國科學院高能物理研究所研究員譚有恒，在見到日本先進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，曹臻的思考更進一步，“如果國家再給一次比較大的支持，我們能不能達到國際領(lǐng)先?”
進入21世紀的第一個十年，世界各國紛紛提出下一代伽馬天文觀測大科學裝置計劃：歐洲國家提出建造100多臺切倫科夫望遠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提高靈敏度的高海拔水切倫科夫探測器計劃。
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，于2013年獲得國家發(fā)改委批準立項，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“拉索”的項目建議書，標志項目在四川稻城海子山落地。
2016年，四川省發(fā)改委批準了配套設(shè)施項目的初步設(shè)計，并于當年5月動工。
2017年，主體項目初步設(shè)計獲得中國科學院及國家發(fā)改委批準，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(由地面閃爍計數(shù)器和地下繆子探測器組成)、切倫科夫望遠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個閃爍計數(shù)器、1188個繆子探測器、18臺望遠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“風水寶地”。
當高能宇宙線進入大氣層，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。
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”團隊幾乎與世界上所有的中微子望遠鏡實驗、甚高能伽馬望遠鏡實驗團隊簽下了研究合作備忘錄。美國《天文學及天體物理十年規(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”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”的首批科學發(fā)現(xiàn)就開創(chuàng)了“超高能伽馬天文學”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?；陬I(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問題，明確近期、中期、甚至長期努力的方向和目標。
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。(作者為高海拔宇宙線觀測站“拉索”首席科學家)
“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7.8萬平方米，相當于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。這些次級粒子進入水體中，會產(chǎn)生一種非常微弱的切倫科夫光?？茖W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。
“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)在多個大科學裝置科學家的協(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?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鏡，實現(xiàn)了SiPM技術(shù)在寬視場成像大氣切倫科夫望遠鏡中的首次大規(guī)模使用。其中，SiPM總靈敏面積達到4.1平方米，徹底改變了這類望遠鏡不能在月夜工作的傳統(tǒng)觀測模式，成倍提高了望遠鏡有效觀測時間。
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鏡的“眼睛”。“拉索”中共有18臺SiPM相機，每臺相機像素高達1024個。當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) 精準到10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到亞納秒級別，性能達到國際領(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。
