尋找宇宙線起源解世紀(jì)之謎3

三、拓展人類對(duì)物理規(guī)律的認(rèn)識(shí)

攜帶著宇宙起源、天體演化、地球空間環(huán)境等科學(xué)信息的宇宙線，是一種“不請(qǐng)自來(lái)”的寶貴科學(xué)資源。對(duì)茫茫宇宙中這些接近光速運(yùn)動(dòng)的高能粒子，人類迄今取得了哪些研究進(jìn)展？又還有哪些未解之謎？

高海拔宇宙線觀測(cè)站項(xiàng)目科學(xué)組成員、中科院紫金山天文臺(tái)研究員袁強(qiáng)說，進(jìn)入20世紀(jì)以來(lái)，現(xiàn)代物理學(xué)研究最重要的方向之一，就是對(duì)微觀粒子的認(rèn)識(shí)。科學(xué)家們意識(shí)到，宏觀物體在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)受到外界各種干擾，要掌握更為基本的物理規(guī)律，只有轉(zhuǎn)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制造出來(lái)以前，宇宙線粒子是人類僅有的幾個(gè)高能粒子來(lái)源之一，粒子物理的研究也主要由宇宙線驅(qū)動(dòng)。

產(chǎn)生于宇宙深處的高能粒子，經(jīng)過宇宙尺度的“巨型天然加速器”，給人類送來(lái)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(fā)現(xiàn)。1932年，美國(guó)物理學(xué)家安德森在云霧室記錄的宇宙線徑跡中首次發(fā)現(xiàn)帶正電荷的電子，這是人類發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)反粒子，由此揭開了一個(gè)全新的鏡像世界。此后，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(xiàn)在世界上最大、能量最高的粒子加速器——歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，可將粒子加速到的最高能量大約是14萬(wàn)億電子伏特，而人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的宇宙線粒子所能達(dá)到的最高能量，是這一能量的1000萬(wàn)倍以上。人類研制加速器，每突破一個(gè)能量級(jí)別，技術(shù)難度和成本會(huì)指數(shù)級(jí)增加，從這個(gè)角度說，加速器推動(dòng)的高能物理研究很可能進(jìn)入瓶頸期，回過頭來(lái)借助宇宙線研究極高能粒子,可能會(huì)再次大幅拓展人類對(duì)物理規(guī)律的認(rèn)識(shí)，獲得超越加速器的突破性成就?！痹瑥?qiáng)說。

隨著觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，僅借助宇宙線來(lái)研究高能粒子，已經(jīng)遠(yuǎn)不能滿足人類的求知欲。這些宇宙深處的物質(zhì)樣本究竟來(lái)自何處、其中蘊(yùn)含怎樣的天體信息，越來(lái)越成為科學(xué)家研究的熱點(diǎn)。

 “很遺憾，迄今為止人類對(duì)宇宙線的來(lái)源還知之甚少。”王祥玉說，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，超新星遺跡、脈沖星風(fēng)星云、銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞等等，都具有產(chǎn)生宇宙線的條件。但這些候選天體中究竟哪一個(gè)，亦或是其他人類還未發(fā)現(xiàn)的天體，是這些大量彌漫、無(wú)處不在的宇宙線主要來(lái)源，現(xiàn)在還不得而知。

2002年，美國(guó)國(guó)家研究理事會(huì)將宇宙線起源列入新世紀(jì)宇宙物理領(lǐng)域的11個(gè)“世紀(jì)之謎”。圍繞宇宙線在哪里產(chǎn)生、如何產(chǎn)生、怎樣傳播這三個(gè)核心難點(diǎn)，物理學(xué)家至今還在不斷探尋。

四、中國(guó)“拉鎖”創(chuàng)三大世界之最

高海拔宇宙線觀測(cè)站項(xiàng)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(wǎng)，將成為全球覆蓋能量范圍最大的宇宙線探測(cè)設(shè)備，隨時(shí)等待捕捉掉落地球的新秘密。

曹臻向記者介紹，LHAASO觀測(cè)站總占地面積約2000畝，站區(qū)包括探測(cè)器陣列及綜合科技中心等附屬建筑。LHAASO探測(cè)陣列由3個(gè)部分組成。首先是一個(gè)深5米、占地8萬(wàn)平方米的水池,這個(gè)完全密封、一片漆黑、面積有兩個(gè)半北京水立方大小的水池，布滿3000個(gè)左右的測(cè)量單元，能夠收集到非常遙遠(yuǎn)的星體，比如3億光年外黑洞爆發(fā)時(shí)產(chǎn)生的伽馬光子，它專門用來(lái)探測(cè)能量較低的宇宙線；第二部分是一個(gè)約一平方公里的復(fù)合地面陣列，約5200個(gè)閃爍體探測(cè)器按邊長(zhǎng)15米的正三角形點(diǎn)陣來(lái)排布，同時(shí)在2.5米的地下每隔30米布設(shè)約1200個(gè)繆子探測(cè)器，用于探測(cè)能量稍高的宇宙線；第三類裝置由12個(gè)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)組成，用于宇宙線能譜高精度測(cè)量。這三類探測(cè)器彼此聯(lián)動(dòng)，組成巨大的復(fù)合探測(cè)裝置。

“LHAASO項(xiàng)目集合了三個(gè)世界之最?！辈苷檎f：

一是在1萬(wàn)億電子伏特附近的甚高能伽馬射線巡天探測(cè)方面，靈敏度世界第一；

二是100萬(wàn)億電子伏特附近的高能段伽馬射線探測(cè)方面，靈敏度世界第一；

三是三類探測(cè)器復(fù)合，覆蓋的宇宙線能量測(cè)量范圍世界最廣。

宇宙線發(fā)現(xiàn)100多年來(lái)，源頭從未被找到。高海拔宇宙線觀測(cè)站項(xiàng)目的核心目標(biāo)，就是找到宇宙線起源，向這一“世紀(jì)之謎”發(fā)起沖擊?！袄碚撋现v，我們的裝置應(yīng)該能找到宇宙線的起源。另外，如此大型的探測(cè)裝置，還可能有很多意想不到的發(fā)現(xiàn)，比如發(fā)現(xiàn)高能量的伽瑪暴，挑戰(zhàn)愛因斯坦的相對(duì)論、經(jīng)典引力理論等基本物理問題。”曹臻說。

 “高海拔宇宙線觀測(cè)站項(xiàng)目有助于科學(xué)家分層次、分類別地精確測(cè)定宇宙線能譜?；谡麄€(gè)裝置在伽馬射線探測(cè)方面的卓越性能，我們期待將發(fā)現(xiàn)1000個(gè)以上高能伽馬射線源，而目前這一數(shù)字是100個(gè)。”袁強(qiáng)說。

“LHAASO項(xiàng)目將與世界其他3個(gè)同水平宇宙線觀測(cè)站（位于阿根廷的極高能宇宙線觀測(cè)站、位于南極的中微子天文觀測(cè)站、待建的切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列）形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，向宇宙線起源這一世紀(jì)之謎發(fā)起沖擊，推動(dòng)粒子物理學(xué)、天文學(xué)、宇宙學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)科學(xué)研究取得突破性發(fā)展?！辈苷檎f。