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在海拔4410米高地张网捕捉太阳系外“信使”

2019-06-12 10:24

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  揭秘宇宙线发源的大型科学安装

  位于阿根廷曾经建成的极高能宇宙线观测站

  尚未启动的切伦科夫千里镜阵列

  位于甘孜稻城海子山将建的高海拔宇宙线观测站

  位于南极曾经建成的中微子天文台

  6月4日,在四川省甘孜州稻城县的海子山上,中科院高能物理所研究员曹臻站在一块花岗岩漂砾上,指着前方宽阔平展的山地说,大约4年后,这里将建成一座高海拔宇宙线观测站(LHAASO),它将是世界上笼盖能量范畴最大的宇宙线探测设备。

  LHAASO即将全面开工。

  高能宇宙线 开启领会银河系的窗口

  宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子,其能量跨度为109—1020电子伏特,次要由质子和多种元素的原子核构成,而且还包罗少量电子和光子。它洋溢于宇宙傍边,时辰具有于我们的星球上。LHAASO首席科学家、项目司理曹臻说,宇宙线是“银河陨石”,是传送宇宙大事务的“信使”,是地球上具有的太阳系以外的独一物质样本。迄今为止我们没法子获得太阳系外出格是银河系以外的其他天体的样本,因而这些天体发射出的宇宙线,就成了我们领会银河系的窗口。宇宙线照顾着宇宙发源、天体演化、太阳勾当及地球空间情况等主要科学消息,研究宇宙线及其发源是人类摸索宇宙的主要路子。

  1912年,奥地利科学家赫斯初次发觉宇宙线多年来,在宇宙线的研究中,发觉了很多根基粒子,开创了粒子物理学,还降生了6位与此相关研究的诺贝尔奖得主,人类却一直没有解开宇宙线的发源之谜。

  因此,宇宙线的发源不断是科学界公认的严重前沿问题,在欧美科学决策机构凝练出的6个或11个根本科学难题中均位列前5。

  从上世纪末至今,颠末列国科学家的勤奋,已发觉宇宙中有180多个伽马射线源天体,它们有可能是宇宙线的候选源。

  LHAASO项目副司理、中科院高能物理所研究员何会海说,高能量的宇宙线粒子,可能发生于猛烈的宇宙事务,像超新星迸发、黑洞迸发、庞大星系之间的碰撞等,都可能发生宇宙线,都是我们找源的对象。目前的研究成果显示,跨越1018电子伏特的粒子都该当是来历于银河系外,研究宇宙线能让我们晓得宇宙中事实发生了什么。

  “宇宙线粒子具有极高的能量。”何会海以最高能量的宇宙线质子为例引见,其质量仅10-24克,但其动能却与活动员李娜打出的时速150公里的网球相当。

  目前人类用电子对撞机曾经可以或许发生高能粒子。但宇宙线中高能粒子的能量远超出人类研制的最高能量对撞机所能发生的粒子,其能量比北京正负电子对撞机粒子的能量还要高1000亿倍。这么高的能量是怎样发生的?是什么加快道理?

  恰是这些不成思议对科学家发生了庞大的吸引力。

  三大阵列数千个探测器 协同溯源宇宙线

  如何才能捕捉奇异的宇宙线粒子呢?

  何会海起首描画了宇宙线粒子进入地球的过程。

  高能的宇宙线粒子进入地球大气层后,会和大气中的原子核,例如氮或氧的原子核发生彼此感化,粒子就像炮弹一样把原子核打碎。其成果是这个原子核和炮弹一路会变成一堆的次级粒子。这些次级粒子仍然照顾着很高的能量,继续与大气中的原子核发生同样的彼此感化,又把此外原子核打碎,发生了更头级的粒子。如斯反复十几回,这是一个指数增加的过程,发生很多次级粒子,最终次级粒子数可达百亿,在空气中像一场粒子“阵雨”霎时漫衍在数平方公里的面积上。科学家把这个过程称为簇射。

  簇射发生的粒子几乎都是以光速在跑,浩繁的次级粒子几乎是同时达到。

  何会海说,LHAASO要建筑很多的探测器。当簇射发生时,只需一个粒子打到探测器上,探测器就弱弱地闪一下。若是几十个、几百个探测器同时闪了一下,科学家就晓得天上来了一个能量很是高的粒子。

  LHAASO占地2040亩。科学家打算在观测站内安插几千个探测器。它们分为3个阵列。

  第一阵列是由5195个电磁粒子探测器和1171个缪子探测器构成的地面簇射粒子阵列。5195个电磁粒子探测器按边长15米的正三角形点阵来排布,同时在2.5米的土下每隔30米布设1个缪子探测器。第二阵列是水切伦科夫探测器,是一个深4.5米、占地78000平方米的纯清水水池,完全密封,水底安插3000路探测单位。第三阵列是12台广角切伦科夫千里镜。这三类探测器阵列相互联动,构成庞大的复合探测安装。

  首席科学家曹臻说,LHAASO的具体科学方针是摸索高能宇宙线发源,研究宇宙线加快和传布机制,同时开展全天区伽马源扫描搜刮,堆集各类源的统计样本,摸索其高能辐射机制。科学家还将操纵LHAASO探索暗物质、量子引力或洛仑兹不变性粉碎等新物理现象,发觉新纪律。

  “LHAASO的3大探测阵列互相共同,无望破解宇宙线发源难题。”对此曹臻充满了决心。

  LHAASO为何选址 海拔4410米四川稻城海子山

  通过在我国高海拔地域的普遍选址和实地踏勘调研,LHAASO最终选定位于四川稻城海子山、平均海拔为4410米的高地作为观测基地。

  何会海说,宇宙线粒子在穿越大气层时会被大气接收。因此海拔高、空气稀薄的处所,探测器就能捕捉到更多的宇宙线粒子。国际科技界遍及认为,南美的安第斯山脉和中国的青藏高原更适合高能粒子观测,它们都在海拔4000米以上。

  除了便利观测之外,LHAASO选定稻城海子山也与稻城的糊口设备有必然关系。交通上,距离LHAASO仅10公里的处所就是稻城的民用机场。对于科学家来说,到LHAASO工作、调查等勾当不必舟车劳顿。

  在LHAASO工作的科学家和工作人员住在哪里?这也不消担忧。稻城县城距离LHAASO只要50公里,而且海拔一会儿就降到了3750米,吃住都比力便利。因而项目中有一部门就是在稻城县城扶植LHAASO的测控基地和糊口基地。

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