来自宇宙信使的一封信：人类，你真能抓到我吗

进入地球大气层后的“宇宙射线雨”图。中国科学院高能物理研究所提供的数据

地球上的人类:

你好。

我的名字是宇宙射线，大名宇宙射线是来自外太空的高能粒子。也许你从未听说过我，也不知道我从哪里来，要去哪里。但我对你并不陌生。我一直在地球上游荡。

如果我这次联系你，不要感到惊讶。

地球上的人类喜欢仰望星空，探索宇宙起源的奥秘。400多年前，你们中的一个，伽利略，用凸凹透镜对准星空，让人类拿起望远镜，这是观察宇宙的利器。直到1912年，当你发现我的时候，你还是很兴奋，好像你已经抓住了探索宇宙的最后一根稻草，并且说我是除了陨石以外宇宙中唯一的物质样本。他还称我为“银河系陨石”，是宇宙中重大事件的“信使”。

不幸的是，100多年后，你仍然没有弄清楚我到底是从哪里来的，自然你不能推断宇宙及其演化。在这个捉迷藏的游戏中，我的耐心几乎耗尽了。

2017年6月初的一天，一声“吼”把我吵醒了。这似乎是你的人类挖掘机的声音，而且不止一个。让我仔细看看。在东半球的中国四川省稻城县，这个你称之为“最后的香格里拉”的地方，一个巨大的网已经被拉起，一个名为“高空宇宙射线观测站”的装置即将开始全面运行。

最后，你又迈出了一大步！我多少松了一口气，据说这个大型装置一旦建成，将成为世界上探测“最高能量伽马射线”的最灵敏探测器。坦率地说，它是最有可能“抓住”我的捕捉设备。

由于这个新的捕捉游戏刚刚开始，我准备好和你交换意见，这就是我写这封信的原因。

你很聪明。知道你能在高空遇见更多的我，你在海拔4410米的海子山建造了这个装置。这一天赶上了雨雪天气，再加上空旷的高原上稀薄的空气和变幻莫测的寒风。你们中的一些人裹在大衣里，其他人拿着便携式氧气瓶。他们一起来到这里，试着想象四年后一个大的装置会是什么样子。

其中一个人，曹真，据说是大型强子对撞机的首席科学家和中国科学院高能物理研究所的研究员。这一天，曹真站在道城海子山的一块巨石中间，面对着辽阔的高原，他变得更加雄心勃勃:虽然这里仍然是花岗岩巨砾和冰蚀岩盆地的所在地，但一旦高空宇宙线观测站建成，将对解开“宇宙线”起源之谜产生巨大影响！

他在对我大喊大叫！

这不是我吹牛。“抓住”我不容易。不是说你没试过。

一个多世纪以来，你们人类使用了各种手段来“追捕”我:“天堂”，使用粒子探测卫星试图直接在大气层外面或顶部找到我。“走进地面”，在世界屋脊的青藏高原羊八井上打下一个大型观测站；“下海”，在南极冰层下2400米深处安装一个巨大的中微子望远镜。

然而，我的生活经历仍然是一个“谜”。在你们人类物理学圈列出的21世纪的科学问题中，关于我的起源的谜团排在第五位。与我相关的探索和研究已经产生了6个诺贝尔奖——据说是你们人类选择的科学界的最高荣誉。

你的一位科学家对此事有更好的理解。他的名字叫何惠海。他是这个大型安装项目的副经理，也是中国科学院高能物理研究所的研究员。他告诉来访的记者，探索“宇宙射线”的起源之所以困难，是因为“宇宙射线”的能量越高，所代表的宇宙活动越强烈，但数量越少。

换句话说，我们宇宙射线的数量与能量成反比。粒子能量每增加10倍，粒子的数量就会减少1000倍，所以我的同胞中很少有人最终到达地球。

有人做了一个类比，宇宙射线每分钟穿过一个硬币大小的区域。结果，人类自然会对我们无形的“低语”视而不见。

事实上，还有另一个重要原因。我们的宇宙射线家族，通常是带电的高能粒子，在飞行过程中不可避免地会被宇宙中无处不在的星际磁场“拖走”。当我们到达你们的地球时，我们已经失去了最初的方向信息，所以你不能推断我们来自哪里。

换句话说，即使我们被“抓住”，我们也无法知道我们的“基地”在哪里。

幸运的是，我的同胞中还有其他一些兄弟，一个是伽马射线，另一个是中微子。它们可以在磁场中移动，而不会被磁场的“阻力”偏转，并且可以指向“源”的方向。此外，一些极高能量粒子在宇宙磁场中的“拖曳”偏转可以忽略不计，也可以用来探索我们的起源。

因此，在地面观测中，伽马射线、中微子和极高能量粒子已经成为你的关键“捕捉”目标。据曹真介绍，目前你们人类科学家已经发现了180多种“高能伽马射线源”，如超新星爆炸、黑洞爆炸、巨型星系之间的碰撞等。，这可能是您正在寻找的“来源”。然而，谁是真正的“源头”仍需继续寻找证据。

这也是你愿意花10多亿元建立LHAASO网络的主要原因。

——你们在高山上建造了LHAASO，希望充分利用大气作为探测介质和地面观测手段，扩大探测器规模，提高灵敏度。据说，经过一段时间的工作，美国的一个探测装置从2700米的高度移动到4100米的高山站，从而将灵敏度提高了十倍以上。

——你们建造的LHAASO足够大，甚至是世界上同类中最大的，因为你们确信观察区域越大，抓住我们的可能性就越大。

根据您的假设，组成LHAASO大型设备的四种高灵敏度探测器阵列——5195个电磁粒子探测器“小方块”、1171个子木探测器“大鼓”、两个半“水池”大小的水切伦科夫探测器和12个“千里眼”广角切伦科夫望远镜——将散布在道城县海子山1.36平方公里的半径范围内。

到那时，整个大型设备就像在高原上拉起一张大网，最大限度地形成“捕捉”能力。

这位名叫何惠海的科学家描述了一个“雨”的场景:我们的宇宙射线粒子进入大气层后，“击中”了大气层中的原子核，产生了数百亿个次级粒子——就像一场粒子“阵雨”，瞬间落在地面上约1纳秒。

何惠海说，你们人类需要用不同类型的地面探测器收集这些“宇宙射线雨”，分析我们的方向和时差，推断初级粒子的性质，并进行相关的物理研究。

当然，用来“捕捉雨水”的设备越大越好。据曹真说，探测阵列只需要排列到一定的大小就可以开始观测。到2018年底，只有四分之一的LHAASO将完成，这已经是你们人类同类中最大的宇宙射线观测阵列。

到2021年完工时，LHAASO还将占据“三个世界中最高的”:它具有最高的高能伽马射线探测灵敏度，可以进行最灵敏的超高能伽马射线测量，并具有最宽的宇宙射线能量测量范围。曹真也有一个基本的判断，那就是这个大装置在“最高能量区最高灵敏度”的领先地位，在未来的十几二十年内可能不会被任何人超越。

到时候，也许你们人类可以联合起来，LHAASO和现有的三个主要国际宇宙射线研究中心——南美洲3000平方公里的极高宇宙射线AUGER实验、南极3000立方公里的中微子ICECUBE实验，以及欧洲的伽马天文学定点观测CTA装置，合作对我进行“围剿”。

当然，目前，这里只是一片荒野，散布着几米宽的巨石和清澈的河流。我有些怀疑和期待:你真的能在几年后在这里“抓住”我吗？

等待的宇宙射线

2017年6月