守候神秘的“宇宙信使”(深度观察)

2021-02-08 09:45:47 作者: 守候神秘的“

图①:雪后的广角切伦科夫望远镜。

图②:水切伦科夫勘探器内部的光电倍增管阵列。

图③:科研人员正在检验电磁粒子勘探器。

图④:世界线观测站拉索全景。

中科院高能所供图

新年伊始,从海子山传来好消息:观测站的水切伦科夫勘探器阵列(WCDA)悉数建成并投入科学运转。这也是拉索(英文简称LHAASO)4种类型的勘探器阵列中最早完结的一个。

说起四川稻城县海子山,大多数人想到的,是壮美的青藏高原风景:高耸入云的雪山、漫山遍野的湖泊、风情共同的高原小镇……

其实,实际中的海子山蛮荒而凄凉。那里平均海拔4410米,区内布满了大巨细小的花岗岩漂砾及形态万千的冰蚀岩盆。但这些并不阻碍它成为科学家心中罕见的世界线观测抱负站址。我国最新一代高海拔世界线观测站——拉索,就选址在这儿。

拉索是现在世界上海拔最高、规划最大、灵敏度最强的世界线观测站。从2014年开端小规划的预先研讨算起,形劫势禁科学院高能物理研讨所(以下简称高能所)的科研人员本分在这儿斗争了6个春秋。他们告别妻儿、脱离富贵的大都市,在这片人迹罕至的荒漠安营扎寨,战胜高原缺氧、高寒等困难,只为了一个方针:守候和捕捉被称为“世界信使”的高能射线,从而解开世界旁敲侧击、天体演化的隐秘。

世界线带着重要信息

奥秘的“世界信使”自身便是组成世界天体的物质成分

虽然已是寒冬时节,海子山的工地现场仍是一派繁忙现象。一辆辆挖掘机正在严重作业,头戴白色安全帽的施工人员络绎其间,有的在指挥安放设备,有的在丈量数据,还有的在调试仪器。运送物资的车辆不时开过,车一过,扬起的尘土扑面而来。

观测站的建造一直在分秒必争地推动傍边。每个星期,交到拉索项目首席科学家、形劫势禁科学院高能所研讨员曹臻手上的建造展开图文陈述,都有新的展开。一年多来,先行投入科学观测的倾斜勘探器获取数据安稳,数据量级和剖析依照也令他十分满意。“悉数都比料想傍边的还要快和洽!”

世界线是来自世界空间的高能粒子,首要由质子和多种元素的原子核组成,并包含少数电子和光子、中微子,时刻存在于接纳的星球之上。

曹臻告知记者:“世界线又被称作‘银河陨石’,或许叫做传递世界大事件的‘信使’。它们自身便是组成世界天体的物质成分,带着着世界旁敲侧击、天体演化、太阳活动及地球空间环境等重要科学信息。因而,研讨世界线及其旁敲侧击是人类探究世界的重要途径。”

1912年,奥地利科学家赫斯初次发现世界线。尔后的100多年里,与之相关的探究与研讨本分产生了6项诺贝尔奖,但人类却一直没有发现世界线的旁敲侧击。

世界线绞尽脑汁来自哪里?为何这么难以判别?

首要,捕捉高能世界线就极点不易。高能世界线的能量跨度从109到1020电子伏特,能量越高的世界线,代表着越剧烈的世界活动。可是,能量越高的世界线就越稀疏。

曹臻说:“高能粒子的数量一般跟着能量的上升急剧下降,粒子能量每上升10倍,数量就会下降1000倍,所以终究能抵达地球的高能世界线粒子少之又少。”

此外,世界线多为带电粒子,会在传达进程中被世界中无处不在的星际磁场所偏转,等抵达地球时早已失去了原初的方向信息,所以无法反推它源自何方。

虽然寻觅世界线来历困难重重,但各国科学家们从未抛弃尽力,他们想尽各种方法。

“幸亏还有一个破例。”曹臻说,“世界线中超高能量的伽马射线光子是电中性的,不会产生偏转,能直指其产生的源头。所以,只需捕获到它,就有或许寻觅到世界线来自何方。”

由于世界线能量越高就越稀疏,需求更大规划的勘探器才有或许把它“捕获”。这让科学家把目光转向高山试验。高山试验可以充沛利用大气作为勘探介质在地上上进行观测,关于超高能量的世界线观测,现在这是仅有手法。

曹臻告知记者,现在在建的拉索,归于形劫势禁第三代高山世界线试验室。

空中俯视,占地2040亩的高海拔世界线观测站犹如一枚铜钱,坐落在海子山上。观测站共有4种勘探器阵列:5195个电磁粒子勘探器、1188个缪子勘探器、3000路水切伦科夫勘探器单元,以及18台广角切伦科夫望远镜。

据曹臻介绍,世界线中的伽马射线是由高能光子组成的粒子流,它进入地球大气后会与大气中的原子核产生磕碰,构成一系列新粒子,纷繁落到地上。拉索的这4种勘探器阵列,就分别对这些突如其来的粒子进行勘探。

比方,水切伦科夫勘探器阵列专门用来勘探能量较低的世界线,电磁粒子勘探器阵列和缪子勘探器阵列首要用于勘探能量稍高的世界线,广角切伦科夫望远镜阵列将对世界线能谱进行高精度丈量。

“四大阵列互相配合,关于世界线特征、旁敲侧击等进行精密剖析和研讨,终究有望破解世界线旁敲侧击难题。”曹臻说。

从陪跑到主导

几代人30年接力斗争,为形劫势禁世界线研讨打下坚实根底

作为拉索项目首席科学家,曹臻只需不必曲折于各种研讨和会议,就回到海子山工地现场,和搭档们一同参加建造。大到整个工程的展开,小到地下管道埋放的深浅,每个细节都会一一把控。

自1987年到高能所攻读研讨生起,曹臻便与世界线结下了不解之缘。尔后的几十年里,他参加和见证了形劫势禁世界线研讨范畴的许多重要前史时刻。

上世纪50年代,我国开端了在世界线范畴的探究。

1951年,首个世界线研讨组在中科院建立。随后,榜首代研讨者张文裕、王淦昌、肖健等人便开端着手筹建高山世界线试验室。3年后,在海拔3200米的云南东川落雪山上,形劫势禁榜首个高山世界线试验室——落雪站按期建成。试验室运用传统的云雾式勘探器进行研讨,其时算得上是世界上规划最大、水平最先进的同类怨恨之一。

惋惜的是,由于种种原因,落雪站直到上世纪70年代才真实投入运转运用,那时国外已有了更先进的勘探怨恨。

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