海拔4410米 宇宙线观测站将叩问世界之谜

四川省甘孜藏族自治州稻城县海子山，平均海拔4110米。在布满几米宽巨石的荒野中，形成了一个大约10个足球场大小的圆形区域。挖掘机正忙着挖掘出3个4.5米深的“销”形巨型水池。

正在建设中的大型国家科技基础设施LHAASO预计将于明年年底部分投入运行。它的主要任务是捕捉高能宇宙射线并分析其来源和机制。这片1.36平方公里的贫瘠高原将成为人类破解宇宙进化秘密的最先进的“探测器”。

宇宙射线:打开显微镜和宇宙两个世界的“钥匙”

宇宙射线，也称为宇宙射线，是来自宇宙的高能粒子流的总称。它们的成分包括质子和各种原子核，以及少量的光子、中微子、电子等。在地球附近的太空中，每分钟大约有一条宇宙射线穿过硬币大小的区域。人类对这些无形的“低语”视而不见。

1912年，奥地利物理学家赫斯发现了宇宙射线的存在。这些来自深空的粒子携带的能量是可见光光子的数百万倍，为科学家打开微观世界提供了“钥匙”。

1932年，美国物理学家安德森首次在宇宙射线轨道上发现了反物质，一种带正电的电子。从那时起，粒子物理学已经出版，许多诺贝尔奖已经颁发。

宇宙射线的微妙之处在于它们充当了连接微观世界和广阔宇宙的桥梁。

“宇宙射线粒子扩散到地球，并包含大量信息。人类研究这些“信号”，然后推断出物质的本质。”中国科学院高能物理研究所研究员、高空宇宙线观测项目首席科学家曹真说。

曹真说，宇宙射线是唯一的外太空物质样本，它携带着宇宙射线起源的“源”天体和穿过的宇宙环境，以及天体的演化和早期宇宙的奥秘，是人类探索宇宙的重要途径。因此，科学家称之为传递“宇宙大事”的“信使”。

“捕捉”宇宙射线并探究世界之谜

一个多世纪以来，人类对宇宙射线的探索可以被描述为“天堂”、“地球”和“海洋”。

在天空中，卫星和空间站被用来直接探测大气层外部或顶部的宇宙射线。地面，在世界屋脊建造*羊八井大型地面探测装置；在海底，一个巨大的中微子望远镜安装在南极冰下2400米处。

尽管探索从未停止，但关于这些粒子的“起源”以及什么样的物理过程能加速它们达到如此高的能量的问题一直是个谜。在国际物理学界列出的“21世纪的11个科学问题”中，宇宙射线起源之谜排名第五。

“难以找到宇宙射线起源的原因是，绝大多数宇宙射线粒子都是带电粒子。”中国科学院高能物理研究所研究员、高空宇宙线天文台项目副经理何惠海说，宇宙充满了磁场。带电粒子在穿过空间时会改变方向，并失去其出生地的方向信息。

“宇宙射线中的伽马射线和中微子不带电，在磁场中行进时不会被磁场偏转。它们可以指向源头的方向。此外，高能粒子在宇宙磁场中的偏转可以忽略不计，也可以用来探索其来源。”何惠海说，在地面观测中，伽马射线、中微子和极高能量粒子成为寻找宇宙射线源的理想“信使”。

结果，形成了三个主要的国际宇宙射线研究中心，即南美洲的极高能量宇宙射线天文台、南极洲的中微子天文台和欧洲的伽马天文台。

“但目前，还没有人被证明产生了宇宙射线，这正是中国科研团队的机会。”曹真说道。

中国LHAASO:设立三项世界大奖

2021年建成后，中国高空宇宙线观测站将成为世界宇宙线研究中心之一，占据“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、最宽的宇宙线能量测量范围。

中国科学院高能物理研究所副所长罗说，1954年，中国第一个高山宇宙线实验室在云南东川罗雪山建成，经过三代物理学家的不懈努力，中国已进入国际宇宙线研究的“第一梯队”。

本项目选择在甘孜稻城县，是因为其优越的观测条件:海拔高，靠近机场，电力和通讯条件稳定，水资源充足，当地支持强。

LHAASO的总面积为1.36平方公里。密集的探测器阵列就像高原上的“天网”，对超高能伽马射线有极强的“捕捉”能力。观察基地的中心是水切伦科夫探测器阵列，它由三个以“拼音”形式排列的大型水池组成，每个水池都装有探测器，观察水中粒子“簇射”产生的光。

离水切伦科夫探测器阵列不远是一个由12个望远镜组成的广角切伦科夫望远镜阵列。5，195个电磁粒子探测器和1，171个muir探测器整齐地排列在water cherenkov探测器阵列周围，就像芝麻撒在一个大蛋糕上，形成一个地面簇射粒子阵列。

“当宇宙射线粒子进入大气层时，它们就像炮弹一样击中大气层中的原子核，产生许多次级粒子。当它们落到地面上时，它们就像微粒‘阵雨’。”曹真说，通过对粒子“簇射”的分析，推断出原始宇宙射线粒子的性质，并进行了相关的物理研究。

检测阵列只需要布置成一定的尺寸就可以开始观察。到2018年底，LHAASO只有四分之一完工，这已经是世界上最大的宇宙射线观测阵列。