守候神秘的“宇宙信使”(深度观察)

　　新年伊始，从海子山传来好消息：观测站的水切伦科夫探测器阵列(WCDA)全部建成并投入科学运行。这也是拉索(英文简称LHAASO)4种类型的探测器阵列中最早完成的一个。

　　说起四川稻城县海子山，大多数人想到的，是壮美的青藏高原风光：高耸入云的雪山、星罗棋布的湖泊、风情独特的高原小镇……

　　其实，现实中的海子山蛮荒而苍凉。那里平均海拔4410米，区内布满了大大小小的花岗岩漂砾及形态各异的冰蚀岩盆。但这些并不妨碍它成为科学家心中少有的宇宙线观测理想站址。我国最新一代高海拔宇宙线观测站——拉索，就选址在这里。

　　拉索是目前世界上海拔更高、规模更大、灵敏度最强的宇宙线观测站。从2014年开始小规模的预先研究算起，中国科学院高能物理研究所(以下简称高能所)的科研人员已经在这里奋斗了6个春秋。他们辞别妻儿、离开繁华的大都市，在这片人迹罕至的荒原安营扎寨，克服高原缺氧、高寒等困难，只为了一个目标：守候和捕捉被称为“宇宙信使”的高能射线，进而解开宇宙起源、天体演化的秘密。

　　宇宙线携带重要信息

　　神秘的“宇宙信使”本身就是组成宇宙天体的物质成分

　　尽管已是隆冬时节，海子山的工地现场仍是一派繁忙景象。一辆辆挖掘机正在紧张作业，头戴白色安全帽的施工人员穿梭其间，有的在指挥安放设备，有的在测量数据，还有的在调试仪器。运送物资的车辆不时开过，车一过，扬起的尘土扑面而来。

　　观测站的建设一直在争分夺秒地推进当中。每个星期，交到拉索项目首席科学家、中国科学院高能所研究员曹臻手上的建设进度图文报告，都有新的进展。一年多来，先行投入科学观测的首批探测器获取数据稳定，数据量级和分析结果也令他十分满意。“一切都比预想当中的还要快和好！”

　　宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子，主要由质子和多种米素的原子核组成，并包括少量电子和光子、中微子，时刻存在于我们的星球之上。

　　曹臻告诉记者：“宇宙线又被称作‘银河陨石’，或者叫做传递宇宙大事件的‘信使’。它们本身就是组成宇宙天体的物质成分，携带着宇宙起源、天体演化、太阳活动及地球空间环境等重要科学信息。因此，研究宇宙线及其起源是人类探索宇宙的重要途径。”

　　1912年，奥地利科学家赫斯首次发现宇宙线。此后的100多年里，与之相关的探索与研究已经产生了6项诺贝尔奖，但人类却始终没有发现宇宙线的起源。

　　宇宙线究竟来自哪里？为何这么难以判断？

　　首先，捕捉高能宇宙线就极其不易。高能宇宙线的能量跨度从109到1020电子伏特，能量越高的宇宙线，代表着越剧烈的宇宙活动。但是，能量越高的宇宙线就越稀少。

　　曹臻说：“高能粒子的数量通常随着能量的上升急剧下降，粒子能量每上升10倍，数量就会下降1000倍，所以最终能到达地球的高能宇宙线粒子少之又少。”

　　此外，宇宙线多为带电粒子，会在传播过程中被宇宙中无处不在的星际磁场所偏转，等到达地球时早已失去了原初的方向信息，所以无法反推它源自何方。

　　尽管寻找宇宙线来源困难重重，但各国科学家们从未放弃努力，他们想尽各种办法。

　　“幸好还有一个例外。”曹臻说，“宇宙线中超高能量的伽马射线光子是电中性的，不会发生偏转，能直指其产生的源头。所以，只要捕获到它，就有可能寻找到宇宙线来自何方。”

　　由于宇宙线能量越高就越稀少，需要更大规模的探测器才有可能把它“捕获”。这让科学家把目光转向高山实验。高山实验能够充分利用大气作为探测介质在地面上进行观测，对于超高能量的宇宙线观测，目前这是唯一手段。

　　曹臻告诉记者，目前在建的拉索，属于中国第三代高山宇宙线实验室。

　　空中俯瞰，占地2040亩的高海拔宇宙线观测站犹如一枚铜钱，坐落在海子山上。观测站共有4种探测器阵列：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米，以及18台广角切伦科夫望远镜。

　　据曹臻介绍，宇宙线中的伽马射线是由高能光子组成的粒子流，它进入地球大气后会与大气中的原子核发生碰撞，形成一系列新粒子，纷纷落到地面。拉索的这4种探测器阵列，就分别对这些从天而降的粒子进行探测。

　　比如，水切伦科夫探测器阵列专门用来探测能量较低的宇宙线，电磁粒子探测器阵列和缪子探测器阵列主要用于探测能量稍高的宇宙线，广角切伦科夫望远镜阵列将对宇宙线能谱进行高精度测量。

　　“四大阵列互相配合，对于宇宙线特征、起源等进行精密分析和研究，最终有望破解宇宙线起源难题。”曹臻说。

　　从陪跑到主导

　　几代人30年接力奋斗，为中国宇宙线研究打下坚实基础