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【國際在線】中國高海拔宇宙線觀測站即將全面開工

2021/12/25

宇宙射線起源於哪裡？其攜帶的超高能量背後有哪些人類尚未掌握的原理？為解開這一國際物理學界的世紀之謎，高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）即將在平均海拔4410米的西南地區四川省稻城海子山全面開工。它也將成為全球最大的同類型觀測站。觀測站選址在有「最後的香格里拉」之稱的稻城，「綠色施工」將貫穿建設過程始終，多項植被保護與恢復措施與建設工程同步。這一大科學工程項目也得到了當地藏族同胞的支持。

隨著國家重大科技基礎設施項目——高海拔宇宙線觀測站首席科學家曹臻的介紹，能看到在稻城海子山1.36平方公里的觀測站建設範圍內，路、水、電、土地平整等配套性工作已基本完工。巨大的冰川漂礫（巨石）中間，因建設而翻剷出的高山草甸，都被工程人員細心地摞好並養護，等待著未來的復原。工地現場已經具備了大科學裝置的開工建設條件。

作為太陽系以外唯一的物質樣本，宇宙線在1912年被發現以來，與之相關的研究已經產生了數枚諾貝爾獎牌，但人類卻始終沒有發現宇宙線的起源。宇宙線的起源也因此成為國際物理學界的「世紀之謎」。為什麼要觀測宇宙線？長期研究天體物理的科學家曹臻說：「宇宙線的特點，重要性就是它攜帶的能量，比我們現在人工加速器的能量高得多得多。因此，探索這種加速機制，向宇宙學習：怎麼去把粒子加速到這麼高的能量？這裡面有沒有新的物理原理或者機制？這都是我們探索的整體內容之一。這個事情得一步步來，我們現在要做的工作只是第一步，找到源，接下來還要研究源。用各種各樣的手段：多波段也好、多信使也好，把這個源的原理和機制全部搞清楚。我相信在搞清楚的過程中，關於加速、關於磁場產生的條件、關於高密度高溫度的環境……可能就會對我們的知識體系產生更大的影響。」

為什麼要在高海拔的地方進行觀測？因為高山實驗是宇宙線觀測研究中能夠充分利用大氣作為探測介質、在地進行觀測的手段，其規模遠大於大氣層外的天基探測器。對於超高能量的宇宙線觀測，這是唯一的手段。因此，新從上世紀50年代開始進行宇宙線研究，曾先後在雲貴高原的雲南落雪山和西藏的羊八井建立宇宙線觀測站，後者更成為當時國際四大超高能γ天文和超高能宇宙線研究陣列之一，在大視場巡天領域處於國際先進行列。

為進一步探索高能宇宙線起源並開展高能輻射、天體演化以及暗物質分佈等基礎科學研究，政府於2015年12月批准了高海拔宇宙線觀測站的建設項目。未來四年，將共有近6000個電磁粒子探測器、1200繆子探測器、3000個水切倫科夫探測器以及12台廣角切倫科夫望遠鏡，組成四大探測器陣列，部署在1.36平方公里的觀測站內。它們將創造三項世界之最。中科院高能物理研究所副所長羅小安介紹說：「這是大科學裝置在西南地區的重要布局，建成后將實現世界最高能的探測靈敏度，最靈敏的甚高能伽馬射線巡天探測，最寬廣的宇宙線能譜測量範圍。做成之後一定能夠達到世界領先水平的。」

針對探測器的特點和需求，的科學家們還開發了遠距時鐘在「亞納秒」精度上的同步技術，同時還將實現高計數率條件下的前端信號數字化、光敏探測器的升級換代。

高海拔宇宙射線觀測站項目經理兼總工藝師、中科院高能物理所研究員何會海介紹說，在如此大的範圍內，將時間的同步精度提高到0.1納秒（10的負十次方秒），這也是世界首次。「粒子的速度是以光速在跑的。它是像下雨一下，刷一下下來，怎麼知道它從哪個方向來？根據先到後到的時間差，我們就能夠算出來方向。在這樣的公里量級上，能夠把表對準到10的負十次方秒這個量級，這是全世界頭一次實現的。」

高海拔宇宙線觀測站所在的稻城，因雪山碧水、植物繁茂，恍若仙境，被中外人士視為是傳說中神秘聖境「香巴拉」的所在地。因此，「綠色施工」將貫穿建設過程始終。未來，觀測站內還將同步開展高原生態、生物等交叉研究。常駐稻城的工程辦公室成員羅榮多吉透露：「據我了解，環保這一塊，這個項目可以說基本沒有（影響）。因為探測器項目符合國家的環保標準。對野生動物不會有影響。對水源和草地目前會有一定的影響，但是我們會做植被的恢復，一方面是前期保護，另一方面把工程剷出的草甸進行養護，養護之後等路修好了，直接鋪回去。這是可再生回去的。」

23歲的羅榮多吉還表示，當地的藏族同胞歡迎大科學裝置落戶自己家鄉。「在藏族傳說里、藏民族文化里，是存在宇宙的，是跟時間時空是有聯繫的。這麼大型的科學裝置，對老百姓來說，這從來沒見過的東西，有點像傳說一樣。可能他們不知道宇宙線是什麼，但是在當地人看來，這是對科學的奉獻，對人類是有好處的。只要不對生活有影響、不與宗教有衝突，那就是沒問題的。」

是世界上最早進行天文觀測和記錄的國家之一。而未來，高海拔宇宙線觀測站建成並投入使用后，也將與國際另外三個大型實驗一起成為宇宙線領域的支柱性實驗裝置，共同挑戰宇宙線起源的世紀之謎。高海拔宇宙線觀測站首席科學家曹臻說：「這四大觀測站：第一是在南極，冰立方中微子實驗，以美國為首的項目，研究手段是宇宙線中微子。第二種手段是瞄準極高能宇宙線粒子，極高能宇宙線粒子非常稀缺，就要建3000平方公里的大陣列，一共由15個國家參與實驗。另外一個更重要、更活躍、非常成功的領域就是伽馬天文，分兩條路子走：一是我們LHAASO這樣的大型地面陣列，還有一條路是大型的切倫科夫望遠鏡，瞄準天上的星體來做研究。這樣就形成了三個不同的研究方向、四種支柱性的探測手段。」

按計劃，政府將於2021年對高海拔宇宙線觀測站進行竣工驗收。這一觀測站還吸引了法國、義大利、俄羅斯、瑞士、泰國的研究機構參與建設並進行科技合作，未來將成為以為主、多國參與的國際高海拔宇宙射線研究中心。

國際在線報道（記者劉軼瑤）：宇宙射線起源於哪裡？其攜帶的超高能量背後有哪些人類尚未掌握的原理？為解開這一國際物理學界的世紀之謎，高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）即將在平均海拔4410米的西南地區四川省稻城海子山全面開工。它也將成為全球最大的同類型觀測站。觀測站選址在有「最後的香格里拉」之稱的稻城，「綠色施工」將貫穿建設過程始終，多項植被保護與恢復措施與建設工程同步。這一大科學工程項目也得到了當地藏族同胞的支持。