光明日?qǐng)?bào)記者 崔興毅 通訊員 蔡雨琪
在小說(shuō)《三體》中，三體人通過(guò)“智子”干擾人類粒子物理實(shí)驗(yàn)，阻礙物理學(xué)的發(fā)展進(jìn)程，導(dǎo)致了人類的科學(xué)危機(jī)。這一情節(jié)也從側(cè)面反映了粒子物理的重要性。
除了小說(shuō)中提到的人為加速和對(duì)撞的方式，研究粒子物理，還有一個(gè)重要途徑就是觀測(cè)宇宙射線。在青藏高原上，有一個(gè)高海拔宇宙線觀測(cè)站，占地面積1.36平方公里，形似一個(gè)巨大“圓盤(pán)”，每天負(fù)責(zé)“捕捉”從外太空進(jìn)入地球大氣層的“天外來(lái)客”——宇宙線粒子。通過(guò)觀測(cè)到達(dá)地球的宇宙線粒子、挖掘其中的信息，它把人類與宇宙連在了一起。
5月10日，國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施高海拔宇宙線觀測(cè)站（LHAASO），簡(jiǎn)稱“拉索”，順利通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收。
海拔最高規(guī)模最大靈敏度最強(qiáng)
2015年12月31日，國(guó)家發(fā)改委批復(fù)立項(xiàng)，建造新一代宇宙線觀測(cè)站，項(xiàng)目由中國(guó)科學(xué)院和四川省人民政府共建，中國(guó)科學(xué)院成都分院與中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所承擔(dān)建設(shè)，建設(shè)周期4年。
拉索建在海拔4410米的海子山上，占地面積1.36平方公里，相當(dāng)于190個(gè)足球場(chǎng)大小，是目前世界上海拔最高、規(guī)模最大、靈敏度最強(qiáng)的宇宙線觀測(cè)站。
我國(guó)為什么要建設(shè)這樣一個(gè)觀測(cè)站呢？這得從它的觀測(cè)對(duì)象——“宇宙線”說(shuō)起。
宇宙線是來(lái)自宇宙的“天外來(lái)客”，是高能粒子流的總稱。1912年，奧地利物理學(xué)家維克多·赫斯意外發(fā)現(xiàn)了宇宙線，為探索宇宙奧秘提供了新線索。
“宇宙線攜帶著宇宙起源、天體演化、太陽(yáng)活動(dòng)及地球空間環(huán)境等重要科學(xué)信息，研究宇宙線及其起源是人類探索宇宙的重要途徑。”拉索項(xiàng)目首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院高能所研究員曹臻指出，宇宙線來(lái)自哪里，它們又是如何被加速到千倍于人類現(xiàn)有加速器之高的能量，一直是困擾科學(xué)家的問(wèn)題，也是科學(xué)家們夢(mèng)寐以求的探索方向。
探索宇宙線如此重要，但想要觀測(cè)到它們并且找到它們的源頭，可不是一件容易事！
宇宙線粒子進(jìn)入大氣層后，就會(huì)與大氣中的氧或氮原子核發(fā)生碰撞引發(fā)“級(jí)聯(lián)反應(yīng)”（也稱“簇射過(guò)程”）。曹臻向記者介紹，這就好比一場(chǎng)粒子“陣雨”，可在頃刻間散布在數(shù)平方公里的面積上；而在抵達(dá)地面的路途中，大氣層會(huì)“吞噬”一部分粒子“陣雨”。
“要想趕在大氣層‘吞噬’粒子‘陣雨’之前去捕捉到盡可能多的次級(jí)粒子，就需要在高海拔地區(qū)建設(shè)大規(guī)模的觀測(cè)站。”曹臻說(shuō)。
為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，拉索在青藏高原搭起了一張“天網(wǎng)”：在1.36平方公里的面積內(nèi)，擁有三大探測(cè)器陣列——由5216個(gè)電磁粒子探測(cè)器和1188個(gè)繆子探測(cè)器構(gòu)成的一平方公里地面簇射粒子探測(cè)器陣列、78000平方米的水切倫科夫探測(cè)器陣列以及18臺(tái)廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡。
“憑借世界屋脊的海拔優(yōu)勢(shì)，搭配這四種探測(cè)技術(shù)互相配合、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的復(fù)合測(cè)量，拉索成為目前世界上最靈敏的超高能伽馬射線探測(cè)裝置、世界上靈敏度最高的甚高能伽馬射線源巡天普查望遠(yuǎn)鏡，以及能量覆蓋范圍最寬的超高能宇宙線復(fù)合式立體測(cè)量系統(tǒng)?！辈苷檎f(shuō)。
邊建設(shè)邊運(yùn)行，結(jié)出累累碩果
2017年，拉索主體工程動(dòng)工。為克服環(huán)境對(duì)工程的影響、充分利用觀測(cè)資源，曹臻等人提出了“邊建設(shè)，邊運(yùn)行”的思路。
“第一年，我們先建1/4，運(yùn)行半年，然后再建1/4，湊成1/2，再運(yùn)行半年?！弊尣苷橐庀氩坏降氖?，到2020年，僅建成1/2規(guī)模的拉索，用不到一年的觀測(cè)數(shù)據(jù)就取得了斐然的成果：通過(guò)探測(cè)落在地球上的伽馬光子，拉索發(fā)現(xiàn)了12個(gè)超高能伽馬射線源，這一成果于2021年5月17日發(fā)表在《自然》雜志上。
這一成果意味著什么？
“這個(gè)發(fā)現(xiàn)開(kāi)啟了‘超高能伽馬天文學(xué)’時(shí)代?！辈苷橄蛴浾呓榻B，此前科學(xué)家認(rèn)為銀河系內(nèi)的宇宙線加速器的能量極限在0.1PeV附近，并且伽馬射線能譜在0.1PeV以上有“截?cái)唷爆F(xiàn)象；而此次被拉索觀測(cè)到的源都具有0.1PeV以上的伽馬輻射，也叫“超高能伽馬輻射”，這表明銀河系內(nèi)遍布拍電子伏加速器。
“這完全突破了曾經(jīng)預(yù)測(cè)的‘極限’，證實(shí)大多數(shù)源沒(méi)有截?cái)??？茖W(xué)家們也需要重新認(rèn)識(shí)銀河系高能粒子的產(chǎn)生、傳播機(jī)制，探索極端天體現(xiàn)象及其相關(guān)的物理過(guò)程并在極端條件下檢驗(yàn)基本物理規(guī)律。”曹臻表示，隨著拉索的建成和持續(xù)不斷的數(shù)據(jù)積累，可以預(yù)見(jiàn)這一探索極端天體物理現(xiàn)象的最高能量天文學(xué)研究將給我們展現(xiàn)一個(gè)充滿新奇現(xiàn)象的未知“超高能宇宙”。
一個(gè)多月后的7月9日，《科學(xué)》雜志上出現(xiàn)了來(lái)自拉索的另一項(xiàng)研究成果：科研人員利用拉索，精確測(cè)量了高能天文學(xué)標(biāo)準(zhǔn)燭光——蟹狀星云的亮度，在更廣的能量范圍內(nèi)為超高能伽馬光源測(cè)定了新標(biāo)準(zhǔn)，并由此確定在大約僅為太陽(yáng)系1/10大小的星云核心區(qū)內(nèi)，存在能力超強(qiáng)的粒子加速器，直逼經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)和理想磁流體力學(xué)理論所允許的加速極限。
“這一次拉索測(cè)量了蟹狀星云輻射的最高能量端能譜，覆蓋了從0.5萬(wàn)億到1100萬(wàn)億電子伏寬廣的范圍，不但確認(rèn)了此范圍內(nèi)其他實(shí)驗(yàn)幾十年的觀測(cè)結(jié)果，還精確測(cè)量了前所未有的超高能區(qū)，即從300萬(wàn)億至1100萬(wàn)億電子伏的能區(qū)?！辈苷楦嬖V記者，這項(xiàng)成果為該能區(qū)標(biāo)準(zhǔn)燭光設(shè)定了亮度標(biāo)準(zhǔn)，此后該領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)必須以拉索此次測(cè)量結(jié)果為“尺”進(jìn)行對(duì)標(biāo)。
捷報(bào)頻傳。2022年10月9日21點(diǎn)17分（北京時(shí)間），拉索、“慧眼”衛(wèi)星（Insight-HXMT）和“極目”空間望遠(yuǎn)鏡（GECAM-C）同時(shí)探測(cè)到迄今最亮的伽馬射線暴（編號(hào)GRB 221009A），這是我國(guó)首次實(shí)現(xiàn)對(duì)伽馬射線暴的天地多手段聯(lián)合觀測(cè)。
“這是一個(gè)驚人的發(fā)現(xiàn)！大家做了一個(gè)估算，在這么高能量、這么近的距離，能夠發(fā)現(xiàn)一個(gè)剛爆的伽馬射線暴，大概1000年才會(huì)出現(xiàn)一次?！闭劶斑@次伽馬射線暴，北京大學(xué)物理學(xué)院教授馬伯強(qiáng)非常激動(dòng)，“這次觀測(cè)結(jié)果有可能關(guān)聯(lián)到新物理，包括沒(méi)有被人類證實(shí)存在的軸子，以及一些沒(méi)有被觀測(cè)的惰性中微子，為進(jìn)一步探索提供了可能?！?/p>
曹臻告訴記者，本次拉索探測(cè)到的最高光子能量超過(guò)10萬(wàn)億電子伏，將伽馬射線暴光子最高能量紀(jì)錄提升十多倍，在國(guó)際上首次打開(kāi)10萬(wàn)億電子伏波段的伽馬射線暴觀測(cè)窗口。而且，這次拉索在千億電子伏以上的甚高能區(qū)記錄到幾萬(wàn)個(gè)光子信號(hào)，將給出伽馬射線暴最高能段的光變曲線最精細(xì)的測(cè)量，這對(duì)于揭示伽馬射線暴的爆發(fā)機(jī)制具有重要價(jià)值。
未來(lái)希望在南半球建更大“拉索”
“沿著拉索的發(fā)現(xiàn)，未來(lái)還有可能在伽馬天文、宇宙射線領(lǐng)域繼續(xù)產(chǎn)生重大成果，甚至對(duì)中微子探測(cè)的發(fā)展方向都會(huì)產(chǎn)生重大影響?！睂?duì)于拉索的“不菲戰(zhàn)績(jī)”，曹臻欣喜地表示。
談到未來(lái)的規(guī)劃，曹臻表示，拉索團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在已有的4種探測(cè)器陣列之外，將再新增一個(gè)由32臺(tái)望遠(yuǎn)鏡組成的新陣列(LACT)?！斑@個(gè)陣列建好之后，拉索相當(dāng)于又增加了一雙‘火眼金睛’，將具有超高能宇宙線發(fā)射位置的識(shí)別能力，有望進(jìn)一步逼近最終的答案?！?/p>
如何最大化地利用和分析拉索獲取的寶貴數(shù)據(jù)也是關(guān)鍵。
今年2月13日，我國(guó)宇宙線研究的“最強(qiáng)大腦”——天府宇宙線研究中心落戶成都天府新區(qū)。“研究中心分設(shè)宇宙線研究室、探測(cè)技術(shù)研究室、高海拔觀測(cè)及驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室，為拉索提供技術(shù)、實(shí)驗(yàn)方面的支撐，并且深入開(kāi)展拉索數(shù)據(jù)的科學(xué)分析工作?！辈苷楸硎?，未來(lái)天府宇宙線研究中心將成為“拉索的大本營(yíng)”和全球宇宙線研究的高地。
在依托拉索開(kāi)展宇宙線研究的同時(shí)，中國(guó)第四代、第五代宇宙線研究者將走向世界，參與南天大視場(chǎng)伽馬射線天文臺(tái)（SWGO）的醞釀工作。三個(gè)月前，來(lái)自10余個(gè)國(guó)家超過(guò)80個(gè)研究單位組成的龐大研究組，已經(jīng)在雄心勃勃地計(jì)劃，未來(lái)幾年內(nèi)將在南半球建設(shè)一個(gè)大視場(chǎng)伽馬射線望遠(yuǎn)鏡。
“現(xiàn)在，拉索只是在北半球看北天區(qū)，我們到南半球去建設(shè)一個(gè)類似拉索的項(xiàng)目，甚至比拉索的規(guī)模更大，那里有銀河系的主要部分。”曹臻講述著“中國(guó)造”大裝置的出海計(jì)劃。
曹臻透露，目前南半球項(xiàng)目正處于選址考察階段，“項(xiàng)目建成后，可以與位于北半球的拉索項(xiàng)目南北合作，進(jìn)行包含銀心區(qū)域的近乎全天區(qū)的巡天掃描和時(shí)域天文研究?！?/p>
