稻城有个“孔方兄”专捕“天外来客”

2021-05-17 09:56:44来源:华西都市报编辑:覃贻花

俯瞰在建的高海拔宇宙线观测站。资料图据新华社

◀2020 年12月,最后一个缪子探测器建成,标志着高海拔宇宙线观测站缪子探测器阵列主体工程完工。资料图据四川日报

◀科研人员在监测从缪子探测器阵列中获得的数据。资料图据新华社

它是捕捉“天外来客”的神器,助力于破解“新世纪科学研究的世纪谜题”,是我国“十二五”期间启动的国家重大科技基础设施项目……

2020年12月6日,海拔4410米的稻城海子山,经过两年半的建设,高海拔宇宙线观测站(LHAASO)项目迎来两个重大节点。

其一,观测站最后一个缪子探测器建成投用,标志着观测站的缪子探测器阵列主体工程完工。

其二,观测站四分之三规模的阵列正式“上岗”,包括917个缪子探测器与4008个电磁粒子探测器,标志着我国已建成世界上高能伽马探测灵敏度最高的观测站。

这些神秘的探测器是怎么运行的?近日,记者走进稻城高海拔宇宙线观测站为你揭秘。

高原“天网”捕捉粒子“阵雨”

从航拍图上看,占地1.36平方公里的高海拔宇宙线观测站就像一枚铜钱,放置在群山之间,科学家们戏称它为“孔方兄”。

项目2017年开始建设,建设周期为4年。中国科学院高能物理研究员、电磁粒子探测器阵列分总体副主任盛祥东告诉记者,观测站共有4种探测器阵列,其中包括5195个电磁粒子探测器、1188个缪子探测器、3000路水切伦科夫探测器单元以及18台广角切伦科夫望远镜。

4种探测器在高原组成“天网”,用复合、精确的测量手段,“捕捉”从外太空进入地球大气层的“天外来客”,对它们进行全息式的“体测”,测量它们的能量、种类、几何信息等指标。

这些“天外来客”就是宇宙线粒子。为什么科学家们要在高海拔地区建设探测器?这要从“天外来客”进入大气层后的变化说起。据盛祥东介绍,宇宙线粒子进入大气层后,会和大气中的原子核发生相互作用,产生许多次级粒子;次级粒子继续和大气中的原子核相互作用产生新的次级粒子……如此重复,最终次级粒子数可达百亿个,在空气中像一场粒子“阵雨”,瞬间散布在数平方公里的面积上。

而粒子“阵雨”在抵达地面的过程中,会被大气层“吞噬”一部分。因此,在高海拔地区布局探测器,就是为了抢在大气层“吞噬”前,捕捉到更多的次级粒子,获取更多信息。各单元的探测器通过闪烁体、水、大气等转换介质,将粒子“阵雨”在介质中沉积的能量转化成光子,再经光电倍增管接收放大后,通过光电转化,变成我们熟悉的电信号读出并记录。

分析粒子“阵雨”携带的信息,就能分析出原初宇宙线与大气的相互作用,反推原初粒子的性质,开展相关物理研究。

土堆下的缪子探测器

行走在观测基地,一个个36平方米大小的“土堆”就是缪子探测器。在整个基地中,这样的探测器有1188个。据中科院高能所副研究员、缪子探测器阵列分总体副主任肖刚介绍,它主要用于测量粒子“阵雨”中的缪子含量。

土层用来屏蔽次级粒子中的电磁成分,土堆下是一个直径6.8米、高1.2米的混凝土罐体。罐体中放置了装有超纯水的高反射率水袋,当缪子进入水体,在水中产生切伦科夫光,水袋顶部中心的光电倍增管,将接收的光信号放大,再转化为电信号进行测量。

缪子探测器处于十分复杂的地形地貌之中,其设计施工也面临挑战。部分探测器处于沼泽区域,它们在雨季长期处于水线以下,极容易渗水。海子山最大昼夜温差达到30多摄氏度,而罐体内的温差年变化不能超过5摄氏度;内部放置的水袋,经过长途运输、压差变化、吊装铺设,也面临着防渗漏的难题。

缪子探测器阵列主体工程自2018年开始建设以来,设计、施工单位在诸多细节上进行了针对性的技术攻关,成功完成主体建设。目前,已投用的1077个探测器无一渗漏。

从“天外来客”探知宇宙奥秘

宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子。盛祥东告诉记者,由于大气层的保护,高能粒子的能量在穿过大气层的过程中,大部分都被吸收了,人体感知不到“天外来客”的造访。

但这些“沉默不语”的“客人”,又非常重要。作为来自外太空的唯一物质样品,宇宙线携带着其产生地“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,因此被科学家认为是传递“宇宙大事件”的信使和发现“宇宙加速器”的探针。

人类研究宇宙线高能粒子的历史已超百年,相关研究获得了5枚诺贝尔奖牌,但它的起源和加速机制等依然未能完全解释。美国国家科学技术委员会将其确定为“新世纪科学研究的11个世纪谜题”之一。

2008年,建设一个大型高海拔宇宙线观测站的项目开始了前期预研。历时6年,科学家在我国高海拔地区进行了广泛选址和实地踏勘调研,最终选定了稻城县海子山平均海拔为4410米的高地作为观测站站址。

据悉,观测站剩下的1187个电磁粒子探测器将于今年7月完工,实现全阵列科学观测。

本版稿件综合四川日报、川观新闻等

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