中國開建神秘巨型水池尋找宇宙線起源解世紀之謎

科技 08-03

「高海拔宇宙線觀測站」設計圖

原標題：又一大科學裝置開工中國挑戰宇宙線起源世紀之謎

據新華社報道，2016年7月,我國最新天文大科學裝置——「高海拔宇宙線觀測站」（LHAASO）項目在四川省稻城縣海子山開始基礎設施建設,預計5年內建成。

香港《南華早報》網站8月1日關注了這個世界上海拔最高、規模最大、靈敏度最強的宇宙射線探測裝置。報道稱，科學家打算修建一個容積超過北京「水立方」兩倍的水池，希望捕獲來自遙遠深空的神秘粒子，藉此取得一系列研究成果，比如證明愛因斯坦的宇宙理論有錯誤。

挑戰宇宙前沿理論《自然》稱中國不再只是「新星」

攜帶著宇宙起源、天體演化、地球空間環境等科學信息的宇宙線，是來自宇宙空間的高能粒子流。但宇宙線發現100多年來，源頭從未被找到。高海拔宇宙線觀測站項目的核心目標,就是找到宇宙線起源,向這一「世紀之謎」發起衝擊。

LHAASO項目首席科學家曹臻說，「理論上講,我們的裝置應該能找到宇宙線的起源。另外,如此大型的探測裝置,還可能有很多意想不到的發現,比如發現高能量的伽瑪暴,挑戰愛因斯坦的相對論、經典引力理論等基本物理問題。」

中國開建神秘巨型水池尋找宇宙線起源解世紀之謎

預算高達12億元人民幣的「高海拔宇宙線觀測站」，只是中國2012-2030年優先規劃的16項重大科技基礎設施之一。

《南華早報》也注意到，近年來中國的大規模硬體項目進展迅速，世界最大的射電望遠鏡已在貴州完工，世界首顆量子衛星即將升空，而政府還在考慮更加宏偉的項目，比如世界最大的粒子對撞機以及載人火星探測工程。

中國去年的研發經費投入總量相當於國內生產總值的2%以上，研發投入規模在全球僅次於美國。

英國著名科學刊物《自然》每四年評選一次全球科研「新星」，列出那些在科研領域迅速崛起的國家。最新榜單上有印度、波蘭和沙烏地阿拉伯，但中國首次「落選」了。

《自然》雜誌表示，「中國在高質量研究產出方面的突出增長已經成為常態，所以我們不再將中國視為新星」。

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宇宙線:記錄宇宙大事件的「隕石」

據新華每日電訊報道，宇宙線又稱宇宙射線,是來自宇宙空間的高能粒子流。從成分看,宇宙線粒子的組成中質子約佔90%,氦原子核(阿爾法粒子)佔9%,其餘是重原子核、電子以及少量反物質粒子。這些粒子,基本上以接近光速運動傳播。

「天文學的傳統研究對象大多是電磁波,但是宇宙線,卻是人類目前能夠從宇宙深處獲得的唯一物質樣本。」高海拔宇宙線觀測站項目首席科學家、中科院高能物理研究所研究員曹臻說。他解釋說,光以及其他電磁波,是一系列天體事件發生時相伴而生的「信號」,人類研究這些「信號」,進而對物質的性質展開推斷。而宇宙線,是組成物質本身的粒子直接傳播到地球。這就好比用望遠鏡觀測月球、和去到月球表面取回樣品來研究的區別,宇宙線中包含著許多電磁波無法傳遞的信息,也正因此,科學家將其形象地稱為「宇宙隕石」,視之為傳遞「宇宙大事件」的「信使」。

自20世紀初以來,人類對宇宙線的探索從未中斷。1912年,奧地利物理學家赫斯(Hess)乘坐熱氣球在空氣電離實驗中首次發現了宇宙線。此後100多年間,各國科學家又多次在熱氣球、地表、甚至衛星上安裝探測器,試圖進一步揭示宇宙線的奧秘。

「但是相對電磁波來說,宇宙線的研究更加困難。宇宙線是帶電粒子,碰到宇宙中無處不在的磁場就會發生偏轉,這給尋找其起源的科研工作帶來很大難度。」高海拔宇宙線觀測站項目科學組成員、南京大學天文與空間科學學院教授王祥玉舉例說,比如光是直線傳播的,所以我們觀測到太陽光就能知道太陽所在的方向。但是宇宙線可能在電場、磁場中發生了很多次方向偏轉,無法推測來源方位。此外,宇宙線進入大氣層以後還會與其中原子核碰撞、被大量吸收,因此大部分原初宇宙線在地球表面已經無法觀察了。

為了克服這些困難,科學家不斷進行嘗試。50年代以前,科學家多利用「雲霧室」——一種充滿飽和蒸汽的設備——結合照相機來成像宇宙線粒子經過形成的徑跡。這種方法只能研究宇宙線粒子在空氣中相互作用後產生的次級粒子。為了能夠研究原初宇宙線自身以及相關的天文學問題,人們又發明了間接探測方法,通過在地表布設探測器陣列,全面捕捉宇宙線與大氣作用後到達地面的次級粒子,以此反推宇宙線本身的性質。

「從1956年建立雲南落雪山宇宙線站起,我國也一直積極推進宇宙線研究。現在,位於我國西藏羊八井的國際宇宙線觀測站已成為重要的宇宙線觀測窗口,去年發射升空的暗物質衛星『悟空』,也載有極高能量解析度的高能宇宙線粒子的探測裝置,隨著科技發展,人類對宇宙線的探索也會不斷前進。」王祥玉說。

中國開建神秘巨型水池尋找宇宙線起源解世紀之謎

拓展人類對物理規律的認識

攜帶著宇宙起源、天體演化、地球空間環境等科學信息的宇宙線,是一種「不請自來」的寶貴科學資源。對茫茫宇宙中這些接近光速運動的高能粒子,人類迄今取得了哪些研究進展?又還有哪些未解之謎?

高海拔宇宙線觀測站項目科學組成員、中科院紫金山天文台研究員袁強說,進入20世紀以來,現代物理學研究最重要的方向之一,就是對微觀粒子的認識。科學家們意識到,宏觀物體在低速運動時會受到外界各種干擾,要掌握更為基本的物理規律,只有轉入微觀世界,在高能基本粒子間展開探究。而在50年代大型人造粒子加速器製造出來以前,宇宙線粒子是人類僅有的幾個高能粒子來源之一,粒子物理的研究也主要由宇宙線驅動。

產生於宇宙深處的高能粒子,經過宇宙尺度的「巨型天然加速器」,給人類送來打開微觀世界的鑰匙。一批基本粒子也正是在宇宙線研究中發現。1932年,美國物理學家安德森在雲霧室記錄的宇宙線徑跡中首次發現帶正電荷的電子,這是人類發現的第一個反粒子,由此揭開了一個全新的鏡像世界。此後,繆子、K介子、π介子等,也相繼在宇宙線研究中被人類探知。

「現在世界上最大、能量最高的粒子加速器——歐洲大型強子對撞機,可將粒子加速到的最高能量大約是14萬億電子伏特,而人類已經發現的宇宙線粒子所能達到的最高能量,是這一能量的1000萬倍以上。人類研製加速器,每突破一個能量級別,技術難度和成本會指數級增加,從這個角度說,加速器推動的高能物理研究很可能進入瓶頸期,回過頭來藉助宇宙線研究極高能粒子,可能會再次大幅拓展人類對物理規律的認識,獲得超越加速器的突破性成就。」袁強說。

隨著觀測技術的發展,僅藉助宇宙線來研究高能粒子,已經遠不能滿足人類的求知慾。這些宇宙深處的物質樣本究竟來自何處、其中蘊含怎樣的天體信息,越來越成為科學家研究的熱點。

「很遺憾,迄今為止人類對宇宙線的來源還知之甚少。」王祥玉說,科學家已經發現,超新星遺迹、脈衝星風星雲、銀河系中心的超大質量黑洞等等,都具有產生宇宙線的條件。但這些候選天體中究竟哪一個,亦或是其他人類還未發現的天體,是這些大量瀰漫、無處不在的宇宙線主要來源,現在還不得而知。

2002年,美國國家研究理事會將宇宙線起源列入新世紀宇宙物理領域的11個「世紀之謎」。圍繞宇宙線在哪裡產生、如何產生、怎樣傳播這三個核心難點,物理學家至今還在不斷探尋。

中國「拉鎖」創三大世界之最

高海拔宇宙線觀測站項目,英文縮寫名LHAASO(音譯「拉鎖」),這道在海拔4400米以上拉起的恢恢天網,將成為全球覆蓋能量範圍最大的宇宙線探測設備,隨時等待捕捉掉落地球的新秘密。

曹臻向記者介紹,LHAASO觀測站總佔地面積約2000畝,站區包括探測器陣列及綜合科技中心等附屬建築。LHAASO探測陣列由3個部分組成。首先是一個深5米、佔地8萬平方米的水池,這個完全密封、一片漆黑、面積有兩個半北京水立方大小的水池,布滿3000個左右的測量單元,能夠收集到非常遙遠的星體,比如3億光年外黑洞爆發時產生的伽馬光子,它專門用來探測能量較低的宇宙線；第二部分是一個約一平方公里的複合地面陣列,約5200個閃爍體探測器按邊長15米的正三角形點陣來排布,同時在2.5米的地下每隔30米布設約1200個繆子探測器,用於探測能量稍高的宇宙線；第三類裝置由12個望遠鏡系統組成,用於宇宙線能譜高精度測量。這三類探測器彼此聯動,組成巨大的複合探測裝置。

「LHAASO項目集合了三個世界之最。」曹臻說,一是在1萬億電子伏特附近的甚高能伽馬射線巡天探測方面,靈敏度世界第一；二是100萬億電子伏特附近的高能段伽馬射線探測方面,靈敏度世界第一；三是三類探測器複合,覆蓋的宇宙線能量測量範圍世界最廣。

宇宙線發現100多年來,源頭從未被找到。高海拔宇宙線觀測站項目的核心目標,就是找到宇宙線起源,向這一「世紀之謎」發起衝擊。「理論上講,我們的裝置應該能找到宇宙線的起源。另外,如此大型的探測裝置,還可能有很多意想不到的發現,比如發現高能量的伽瑪暴,挑戰愛因斯坦的相對論、經典引力理論等基本物理問題。」曹臻說。

「高海拔宇宙線觀測站項目有助於科學家分層次、分類別地精確測定宇宙線能譜。基於整個裝置在伽馬射線探測方面的卓越性能,我們期待將發現1000個以上高能伽馬射線源,而目前這一數字是100個。」袁強說。

「LHAASO項目將與世界其他3個同水平宇宙線觀測站(位於阿根廷的極高能宇宙線觀測站、位於南極的中微子天文觀測站、待建的切倫科夫望遠鏡陣列)形成優勢互補,向宇宙線起源這一世紀之謎發起衝擊,推動粒子物理學、天文學、宇宙學領域的相關科學研究取得突破性發展。」曹臻說。

（觀察者網綜合參考消息、新華每日電訊、中科院高能物理所報道）