中国高海拔宇宙线观测站明年起逐步投入科学运
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5分钟视频带你了解LHAASO水切伦科夫探测器一号阵列建设过程

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。

从成都双流机场乘机飞行45分钟,降落到形似飞碟、世界海拔最高的稻城亚丁机场后,再沿山路向东北驱车10余公里。然后爬上平均海拔4410米的海子山,正在紧张施工建设的高海拔宇宙线观测站(LHAASO,音译为“拉锁”)观测基地,终于出现在眼前。

4月26日,高海拔宇宙线观测站首批探测器正式投入科学观测。

365bet体育在线手机版,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。

在观测基地现场,记者看到,经过一年多的施工建设,水切伦科夫探测器阵列的一号水池已完成封顶。数个由钢筋混凝土构成,高1.2米、直径7米形状如水缸罐子的缪子探测器中装满了水,正在做闭水试验。

高海拔宇宙线观测站是我国“十二五”期间立项建设的国家重大科技基础设施,该装置由电磁粒子探测器阵列、缪子探测器阵列、水切伦科夫探测器阵列、广角切伦科夫望远镜阵列等组成。其主要科学目标为,探索高能宇宙线起源,开展相关的宇宙演化、高能天体演化和暗物质的研究。

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。

365体育网址手机,作为“十二五”期间启动的国家重大科技基础设施项目,LHAASO于2015年12月获得国家发改委批准立项,总投资约12亿元。其主要使命是找到宇宙线起源,研究宇宙线加速和传播机制。中国科学家期待通过捕获高能伽马射线等这些来自宇宙的信息,向宇宙线起源这一“世纪之谜”发出挑战。

365bet体育在线手机版 1水切伦科夫探测器阵列是观测阵列的主要科学设施,每天都能够对60%以上的天区进行一次扫描,不受日、月、星光及天气条件的影响,实现全天候的观测,每年将探测到5万亿个宇宙线事例,获取4PB以上的观测数据。本次投入观测的一号阵列,其巡天灵敏度比国际上最高灵敏度的同类装置高出30%,可以在伽马暴高能辐射探测、银河系外耀变源探测与观测、银河系内伽马射线源的深度观测等方面与国际同类实验展开合作研究。" style="width:60%;margin:1rem auto">

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。

“宇宙线是地球上存在的太阳系以外唯一的物质样本,携带着其产生地‘源’天体及其经过空间的宇观环境,乃至天体演化及宇宙早期的奥秘,是人类探索宇宙的重要途径。”高海拔宇宙线观测站项目首席科学家、中国科学院高能物理研究所研究员曹臻解释道。

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宇宙高能“子弹”

人类对肉眼看不到的神秘“天外来客”宇宙线的察觉,要追溯到1912年,当年奥地利科学家赫斯首次发现宇宙线。此后的100年间,与之相关的研究产生了5枚诺贝尔奖,但人类却始终没有发现宇宙线的起源。为“寻根”,国际物理学界形成了三个研究分支,其中最成熟的是探测高能伽马射线。中国对宇宙线的观测研究始于上世纪50年代,1954年在云南落雪山建立了全国首个高山宇宙线实验室,而LHAASO是中国第三代伽马天文探测器。

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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。

“宇宙线粒子中绝大多数是带电粒子,宇宙中到处都是磁场,带电粒子穿过太空时受其影响改变方向。”高海拔宇宙线观测站项目副经理、中科院高能物理研究所研究员何会海说,宇宙线中不带电的伽马射线和中微子,在宇宙磁场中偏转微小到可以忽略的极高能粒子,均可以指向源的方向,是寻找宇宙线源的理想“信使”。

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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。

为捕获超高能伽马射线,中国科学家在约200个足球场面积大小的LHAASO观测基地密布了四种探测器阵列,这如同在高原上拉起一张“天网”。基地中心是由3个大水池组成的水切伦科夫探测器阵列,其面积相当于3个“水立方”大小,共3000多路探测器被安装在4.5米深的水池底部。在水切伦科夫探测器阵列一侧,是由12台望远镜组成的广角切伦科夫望远镜阵列。5195个电磁粒子探测器和1171个缪子探测器整齐地排列在水切伦科夫探测器阵列周围,如同洒在一张大饼上的芝麻,组成了地面簇射粒子阵列。

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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。

当宇宙线粒子进入大气层后,与大气中的原子核发生多次相互作用,可形成上百亿个次级粒子,它们就像一场粒子“阵雨”,瞬间降落在地面。这时,LHAASO的四种地面探测器阵列迅速收集这些“宇宙线雨”,科学家们通过分析其方向、时间差等,反推原初粒子的性质,开展相关研究。

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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?

在实施项目前,中国科学家历时五年跑遍了青海、四川、云南、西藏等四省区进行考察遴选,为项目寻址。最终,稻城县以高海拔、靠近机场交通运输便利、稳定的电力、充足水资源等优势而胜出。

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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。

LHAASO观测基地位于有“天外星球,千湖之山”之称的海子山国家级自然保护区附近,为保护高原脆弱的生态环境,采用了“绿色”施工方案。在建设中,地表20公分以上的腐植层被翻出移走养护,工程做完后再将其移栽回去。“腐植层中有丰富的植物种子,下雨就会生根发芽,当地植被就能恢复如初。”何会海说。此外,观测站采用被动接受技术,无辐射、无排放,项目运行后产生的废水可通过蒸发后回收,实现“绿色”观测运行。

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起步

根据建设工期时间表,LHAASO项目将于2021年6月完工。中科院高能物理研究所副所长罗小安介绍说:“建成后的LHAASO将占有‘三个世界第一’:最高的高能伽马射线探测灵敏度、最灵敏的甚高能伽马射线巡天探测、最宽广的宇宙线能量测量范围。项目投入运行后,我国有望在这一领域的研究实现全球领跑。”

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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。

曹臻说,预计今年年底观测基地四分之一工程将完工,探测阵列只需布局到一定大小就可以开始观测。明年初开始科学运行后,LHAASO已是世界上最大的宇宙线观测阵列,“未来10年至20年不会有人超过我们”。

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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。

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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。

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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……”

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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。

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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。

  1. 陈明君:项目负责人

“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。

2.李会财:现场工作负责人,并对接慢控制系统工作

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3.李凯:探测器机械负责人,机箱安装封装和PMT结构,并对接中电二公司的工作

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。

4.刘成:小PMT工作负责人,操作间设备管理,干运行总协调

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。

5.陈良:水池避光检漏,高压线路检修和水池清洁等

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。

6.高博:大PMT现场负责人,刻度光纤系统负责人

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。

7.游晓浩:机箱封装一队负责人

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。

8.李秀荣:小PMT现场测试负责人,PMT的安装,和现场测试等

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。”

9.纪方:机箱封装二队负责人,慢控制系统,LED修复等

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。

10.陈宝民:大PMT现场测试,刻度光纤布线

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。”

11.曾宗康:小PMT现场测试具体工作,LED触发系统

12.刘金艳:PMT底板安装,PMT线缆理线,地面清理等

13.乔冰强:机箱内电子学板安装,高压线路检修等;

14.刘海东:PMT底板安装,PMT线缆理线等

15.王岩瑾:PMT位置摆放,现场信息记录整理

16.查敏:小PMT现场安装和记录等;

17.项光漫:PMT线缆理线,负责光纤安装等

18.郭义庆、郭莹莹、李海博等:线缆加粗、理线,现场整理等

  1. 王博东、张月雷、翟徐徐、董湘军 : 通用系统

20.科大:赵雷,董若石,宋晨博,范怡淳,田丰收,蓝松富,唐泽波,江琨

21.川大:周荣,申丰兆、陈建

22.空间中心:孙志斌,郑福

23.DAQ:卢晓旭、朱诗迪、顾旻皓

24.清华:龚光华,李鸿明

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