在雪域高原，守望宇宙的「信使」——宇宙線

科技 08-31

浩瀚宇宙，地球存於其中可能還不及滄海一粟，更不要說人類了。雖渺小如斯，但我們卻從未停止對宇宙的探索。

浩渺星空，無垠宇宙

圖源：chinabyte.com

美國國家研究委員會曾列出新世紀待解答的11個科學問題，宇宙的起源就是其中之一。為了獲得答案，研究它的結構和演化是必要的。

不過宇宙大大也且算待我們不薄，為這遭求索遣了一位重要的助攻，這就是宇宙空間中最高能量的粒子，目前太陽系以外唯一的物質樣本——宇宙線。

宇宙線

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一隻飛升至5350米的氣球

1912年一個蟬鳴夏日，29歲的奧地利物理學家維克多·赫斯（Victor Hess）又一次乘著氣球起飛了，懸掛在氣球之下的還有密閉的電離室裝置。這已是他第7次進行這樣的行動了，而這一切都是為了驗證心中那個大膽的科學猜想。

當時世界盛行一種理論：地球上的礦物質會發出周期性輻射，而離地面越遠，接收到的輻射就越小。不過，一些陸續的實驗卻得到了相反的結果，這動搖了好奇的赫斯。有沒有可能產生這個電離效應的主要源於天上，而非地面？這樣的想法驅使他從1911年便開始了高空氣球實驗。

赫斯和他的氣球

5350米，這次最高海拔的飛行果然帶來了意義重大的信息：隨著海拔升高，輻射強度雖一開始減小，但後又急速上升，達5000米則已9倍強於地面。

赫斯欣喜之極，接著他又進行了夜間的和全日食條件下的實驗，獲得的數據卻排除了太陽為輻射源的可能性。他最終提出了一個驚動世人的觀點：這些高能輻射可能是來自太空的貫穿輻射。

如此爆炸性的結論，引得爭議的同時，也獲得了極大的關注，更多關於它的理論推測和實驗如火如荼地進行了起來。而越來越多的證據出現，也證明了多年前那個奧地利年輕人是對的。後來，美國物理學家羅伯特·密立根（Robert Millikan）將這一輻射正式命名為「宇宙線（cosmic ray）」，而赫斯也因這一偉大發現，獲了1936年的諾貝爾物理學獎。

諾貝爾獎得主維克多·赫斯紀念郵票

宇宙「信使」，你來自何處？

經過幾代科學家的努力，宇宙線的真實面貌終於呈現在了我們面前。其主要成分是來自宇宙空間的高能帶電粒子流，含量最高的是質子（87%），其次是從氦核到鐵核等多種原子核，以及少量的光子、電子和中微子。

能夠到達地球附近的初級宇宙線能量跨度從109eV至1020eV，約12個量級，強度跨越32個量級。不同的能量反映了不同的起源，而高於1017eV的則主要來自銀河系外的宇宙空間。

宇宙線具有跨十幾個數量級的連續能譜

這便是一件會讓科學家們興奮連到汗毛都豎起的事情。因為如此看來，宇宙線就是真正的「天降之物」，是我們目前能獲得的太陽系甚至是銀河系以外的唯一寶貴物質樣本，聯繫著宏觀宇宙歷史與微觀粒子結構。多年以來，人們將宇宙線看作宇宙的「信使」，不遺餘力地探究著，取得的成果也孕育出了多個諾貝爾獎成果，但有一個最基本的問題至今還尚未得到答案：它們到底從何而來？

宇宙線的研究意義

宇宙線的起源和傳播是高能天體物理學中一個重要問題。它是各種天體演化過程的產物，特別是各種高能天體物理過程的產物，攜帶著這些過程的豐富信息。探尋宇宙線起源，可以帶領人類找到宇宙形成、天體演化的答案。

攀山越嶺，只為探尋你的蹤跡

上文說到了，宇宙線中大部分都是高能帶電粒子，在傳播過程中勢必會受到宇宙中各式磁場的影響而發生偏轉，可謂是一番旋轉跳躍的「花式」散射。等能被我們探測時，這些小粒子早就丟了最初的方向信息，我們也沒有辦法反推它們源出何處了。

不過先不要急！可曾還記得宇宙線中尚有一些不起眼「小角色」？對了，就是那些極高能粒子、不帶電的高能γ光子和中微子。它們在宇宙線中雖佔比極小，但卻不受磁場影響，可以完好地揣著源的方向信息，飛降到我們身邊。

相比難以收集到有極高能事例的極高能粒子（約1km2的面積經過百年才能收集到一個極高能事例），以及需要龐大探測介質的中微子，高能γ光子則容易得多。只要探測到宇宙線中的高能γ光子，且證明其產生於強子過程——簡單來講，就是通過分析和模型對比，證明所測到的γ光子不是電子起源，而可能是宇宙線起源——就很有可能間接追尋到宇宙線源。

目前來講，主要有直接和間接兩種探測方式：

直接探測主要針對1014eV以下的宇宙線，因通量大，面積較小的探測器就能完成任務，但為免去地球大氣的影響，所以主要通過衛星、空間站和高空氣球穿越大氣去進行作業。但這樣一來，探測能力也受到了設備大小的限制。

而間接探測主要針對的是1014eV以上的宇宙線，由於通量小，必須使用間接測量，分析原始宇宙射線與大氣的作用來反推原始宇宙線的性質。

宇宙線和大氣發生相互作用產生次級粒子，次級粒子進一步產生三級粒子，並如此發展下去，最終數目龐大的次級粒子（包含強子、電子、光子和μ子等）廣泛散播在數平方公里的面積上，此被稱為廣延大氣簇射（Extensive Air Shower，簡稱EAS）。同時，簇射中還伴隨著有契倫柯夫光和熒光的產生。

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探測EAS的主要有三種方式：地面（及地下）陣列、大氣契倫科夫望遠鏡、大氣熒光望遠鏡。而在高山上則可實現對EAS的精確觀測。一方面為了避免大氣層對宇宙線的過度衰減；另一方面也為了避開城市光，減少城市光對大氣契倫科夫/熒光望遠鏡工作的阻礙。

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從上個世紀中開始，世界各國都陸續建立了高山觀測站。如1943年前蘇聯建立的海拔3200m的阿拉嘎茲站、二戰後日本建設的海拔2770m的乘鞍山觀測所等。而不斷出現的更好、更大型的高山實驗室，也為人類追逐宇宙線的歷史划出了一道明晰的印記。

前蘇聯建立的阿拉嘎茲站

在中國，守望宇宙「信使」

新中國宇宙線研究的發展飽含了四代科技工作者的努力。我國宇宙線研究始於1951年，是建國初最早建立起來的物理學研究課題之一。而我國的高山宇宙線實驗站也在上世紀50年代就建立了——海拔3200m的雲南落雪山實驗室。

但因文革等一系列歷史因素，我國宇宙線研究而後歷經一番艱苦。終於在改革開放後重開局面，於1990年建立了世界聞名的西藏羊八井宇宙線觀測站（海拔4300m），中日合作ASγ實驗、中意合作ARGO實驗都相繼在此展開。而兩個大型國際合作科研項目顯示出的巨大科學價值和物理潛能，也讓中國跨入了世界宇宙線研究的第一梯隊。

西藏羊八井宇宙線觀測站（左為ASγ實驗，右為ARGO實驗）

雖然我國乃至世界範圍內的宇宙線研究都取得了不少碩果，但始終未揭開宇宙線起源之謎。更多高能γ射線實驗樣本仍是科學家們夢寐以求的。如果將EAS理解為一場雨的話，那麼這場雨持續的時間只在納秒級，想要捕捉它的痕迹，一方面是要張大可以接住這些雨滴的「手」，讓更特別和稀有的雨滴（能量更高的γ射線）都能被捕獲；一方面則要將感知它的能力提升至更快。建設更大型、更靈敏的宇宙線探測實驗勢在必行。

在這樣的背景下，我國大型高海拔空氣簇射觀測站（Large High Air Altitude Shower Observatory，LHAASO）便應運而生了。

LHAASO是我國「十二五」期間的國家重大科技基礎設施項目，也是對宇宙線起源之謎發起的一次猛烈的衝擊。它位於海拔4410m的四川稻城海子山，面積達1.36平方公里，總投資12億人民幣。其建成後將躋身世界四大宇宙線研究基地之一。

除了擁有前所未有的規模以外，LHAASO將是首個尋找最高能量的γ射線，即千萬億電子伏特（1015eV）範圍射線的觀測站，這勢必會帶來全新的機遇。

LHAASO示意圖（上），稻城海子山（下）

分別針對三個能量範圍的三個主要實驗系統構成了LHAASO：

LHAASO三大系統設置一覽

圖源：nature.com

地面簇射粒子陣列（KM2A）

KM2A是LHAASO佔地最大的一個系統，由1km2電磁粒子探測器陣列和有效面積達42000m2的μ子探測器陣列組成。以探測EAS中的次級電磁粒子和μ子含量為目的。

黃色方塊為電磁粒子探測器（5195個），綠色凸起為μ子探測器（1171個）

水契倫科夫探測器陣列（WCDA）

在KM2A「圓圈」的中心，有一排排整齊的房子，這就是WCDA。陣列的面積近80000 m2，差不多有一個多北京水立方那麼大，由3個相鄰的4.4米深大型純水池構成。位於墨西哥Picode Orizaba國家公園的高海拔地表水契倫科夫（HAWC）探測池，自2015年以來已發現了數十個伽瑪射線源，而LHAASO的地表水陣列是其4倍，探測能力著實讓人看好。

利用契倫科夫效應，來觀測EAS中的次級粒子在水中產生的切倫科夫光，轉換為電信號後進行測量，最終希冀通過各數據來重建原始伽瑪射線。

廣角契倫科夫望遠鏡陣列（WFCTA）

這數十台望遠鏡將負責直接探測高能宇宙線或高能γ射線通過簇射在大氣中產生的切倫科夫光或熒光。它將藉助望遠鏡獨有的可移動特性、通過階段性陣列布局調整，精確測量宇宙線分成份能譜。

而在關鍵的探測技術上，項目組做了新的選擇。上萬片新型半導體光電探測器——MPPC（硅光電倍增管）陣列，將組成這些望遠鏡的核心，發揮「眼睛」的作用，完成觀測大任。

MPPC多被稱為硅光電倍增管（Silicon Photo Multiplier，SiPM/SSPM），可謂是當下光探測器屆的新晉明星，根據其工作原理，也被稱為多像素光子計數器（Multi-Pixel Photon Counter），即MPPC。其由多個工作在蓋革模式下的APD組成，雖然本質上是一個光半導體，但具有優良的光子計數能力，適用於監測在光子計數水平下極弱光的場合。由於MPPC的老化效應較小，因此可有效地提高望遠鏡的觀測時間，從而幫助增加觀測到有效事件的概率。而這些MPPC陣列均由濱松公司提供，專為LHAASO項目的需求特殊定製。

濱松各MPPC陣列產品（非項目組用）

LHAASO項目主任，中科院高能物理研究所的天體粒子物理學家曹臻曾介紹，每個陣列的四分之一將會在2018年安裝完成，預計將在2019年獲得首個結果，而整個觀測站預計將於2021年1月完工。LHAASO項目的落實，也將帶來三個世界之最：最高的高能伽馬射線探測靈敏度；最靈敏的甚高能伽馬射線巡天探測；最寬廣的宇宙線能量測量範圍。

克服高原惡劣環境、攻克實驗難題、分析複雜數據、抗住國際競爭壓力，這些都是高山宇宙線觀測站科技工作者大部分的生活寫照。無論雲室、羊八井，還是未來的LHAASO，無不凝結著中國宇宙線研究者們的心血和對宇宙求知的樸質渴望。在雪域高原守望著宇宙「信使」，說起來也是十分浪漫，而這蒼山之上一隅的觀測站，大概也正是宇宙線研究者們的詩與遠方。

LHAASO科研、施工團隊（部分）於站址合影

圖源：toutiao.com

寫在最後

濱松中國十分榮幸能參與到LHAASO當中，通過濱松公司淬鍊新型光電器件——MPPC（硅光電倍增管），以及濱松中國從商務到信息溝通等多方面的不懈努力，為我國又一偉大實驗提供了可靠的光電技術支持。曹臻老師曾在一次講座中說道：「探索宇宙的起源與演化是人類智慧的永恆驅動力。」我們也將不懈努力，希冀為打開人類認知，揭示宇宙奧秘做出更多的貢獻。

參考資料：

宇宙射線研究的發展，中國科學院高能物理研究所科技園地：

http://www.ihep.ac.cn/kejiyuandi/zhishi/070627-cosmic/index.htm

高海拔宇宙線觀測站，中國科學院高能物理研究所：

http://www.ihep.cas.cn/dkxzz/lhaaso/

宇宙線，打開宇宙之門的金鑰匙，中國科普博覽：

http://www.kepu.net.cn/gb/special/20110830_yzx/index.html

我國的宇宙線物理研究六十年，馬宇

立足高原雪域，登攀科學高峰——為西藏計劃二十年而作，譚有恆，2007年第 2期《現代物理知識》。

高能所宇宙線研究的起源，中國科學院高能物理研究所，

http://www.ihep.cas.cn/kxcb/kpcg/lztt/kpyd_yzsx/kpyd_ihepyzx/200909/t20090914_2482174.html

Chinese mountainobservatory to probe cosmic-ray origins, nature,