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中国大科学装置“拉索”通过国家验收 已创造三项世界之最

  新华社北京5月10日电(记者张泉)记者从中国科学院获悉,国家重大科技基础设施——高海拔宇宙线观测站“拉索”(LHAASO)10日顺利通过国家验收。“拉索”位于四川省稻城县海子山,平均海拔4410米,观测性能创造了多项“世界之最”,将致力于探索宇宙线起源之谜,并通过观测宇宙线探索更多宇宙奥秘。

“拉索”鸟瞰图。(中科院高能物理所供图)

  宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子,时刻造访我们的星球。宇宙线主要由氢核、氦核、铁核等多种元素的原子核组成,并包括少量正负电子,是人类目前能从宇宙深处获得的唯一物质样本。

这是高海拔宇宙线观测站观测基地里的数据中心(4月22日摄)。新华社记者 金立旺 摄

  “宇宙线携带着宇宙起源、天体演化、太阳活动等方面的重要科学信息,研究宇宙线及其起源是人类探索宇宙的重要途径。”“拉索”首席科学家、中科院高能物理所研究员曹臻介绍,宇宙线被发现110多年以来,相关探索研究已产生数枚诺贝尔奖牌,但依然有众多谜题待解,宇宙线起源被国际物理学界列为“新世纪11个科学问题”之一。

  4月23日,“拉索”首席科学家、中科院高能物理所研究员曹臻在成都举行的发布会上介绍相关情况。新华社记者 金立旺 摄

  “拉索”正是以宇宙线观测研究为核心目标,项目于2015年12月获国家发展改革委批复立项,由中国科学院和四川省人民政府共建,2017年主体工程动工,2021年全部完成建设。

广角切伦科夫望远镜阵列。(中科院高能物理所供图)

  “拉索”占地面积约1.36平方公里,由地面簇射粒子探测器阵列(包含5216个电磁粒子探测器和1188个缪子探测器)、水切伦科夫探测器阵列(面积约78000平方米)和广角切伦科夫望远镜阵列(18台)组成,采用四种探测技术,可全方位、多变量测量来自高能天体的伽马射线和宇宙线。

这是在高海拔宇宙线观测站测控基地展示的自主研发的光电倍增管(4月22日摄)。新华社记者 金立旺 摄

  世界屋脊的高海拔优势和多项关键核心技术的突破,使“拉索”集合了三项“世界之最”:最灵敏的超高能伽马射线探测装置,最灵敏的甚高能伽马射线源巡天普查望远镜,能量覆盖范围最宽的超高能宇宙线复合式立体测量系统。

  据介绍,“拉索”在初步运行期间已取得多项突破性科学成果。“拉索”面向国内外全面开放共享,目前已有28个天体物理研究机构成为“拉索”的国际合作组成员单位。

4月22日,高海拔宇宙线观测站观测基地广角切伦科夫望远镜上空出现日晕。新华社记者 金立旺 摄

4月22日,在高海拔宇宙线观测站观测基地水处理机房,工作人员在操作水处理相关程序。新华社记者 金立旺 摄

这是高海拔宇宙线观测站测控基地(4月22日摄)。新华社记者 金立旺 摄

4月22日,工作人员在高海拔宇宙线观测站观测基地水切伦科夫探测器阵列处理实验数据。新华社记者 金立旺 摄

  世界屋脊上的观天阵列——高海拔宇宙线观测站“拉索”看点解析

  四川稻城海子山,海拔4410米处的一大片圆形区域内,数千个不同类型的探测器紧密有序排列,形成一个巨大的观测阵列,时刻捕捉着来自宇宙深处的信息。

  这是以宇宙线观测研究为核心目标的国家重大科技基础设施——高海拔宇宙线观测站“拉索”(LHAASO)。5月10日,“拉索”通过国家验收,将致力于探索宇宙线起源之谜,并通过观测宇宙线探索更多宇宙奥秘。

  海拔4410米的观天阵列

  “拉索”占地约1.36平方公里。这个巨大阵列的中心位置,是由按“品”字排列的三个大水池组成的水切伦科夫探测器阵列,面积约78000平方米;周围则紧密排列着5216个电磁粒子探测器和1188个缪子探测器;此外还有由18台广角切伦科夫望远镜组成的望远镜阵列。

  宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子,主要由氢核、氦核、铁核等多种元素的原子核组成,并包括少量正负电子,是人类目前能从宇宙深处获得的唯一物质样本,被称为传递宇宙大事件的“信使”。

  “研究宇宙线及其起源是人类探索宇宙的重要途径。”“拉索”首席科学家、中科院高能物理所研究员曹臻介绍,宇宙线被发现110多年以来,相关探索研究已产生数枚诺贝尔奖牌,但依然有众多谜题待解,宇宙线起源被国际物理学界列为“新世纪11个科学问题”之一。

  据介绍,观测宇宙线,可以“上天”,用粒子探测卫星寻找;可以“下海”,在水底安装中微子望远镜;也可以“上山”,在高海拔地区搭建观测站。

  “在高海拔地区进行地面观测,探测器规模可远大于大气层外的天基探测器。尤其在超高能量宇宙线观测方面,由于样本数量稀少,采用大规模探测器是唯一观测手段。”曹臻说。

  作为大型复合探测阵列,“拉索”是继云南东川、西藏羊八井高山宇宙线观测站之后,我国建设的第三代高山宇宙线观测站。经过广泛选址和实地踏勘调研,“拉索”项目最终落户四川稻城海子山。

  “‘拉索’是世界上重要的粒子天体物理支柱性实验设施之一,将助力我国在高能伽马射线天文领域的研究迈向国际领先水平。”曹臻说。

  观测性能创三项“世界之最”

  得益于世界屋脊的高海拔优势和关键核心技术的突破,“拉索”创造了三项“世界之最”——超高能伽马射线探测灵敏度世界最高,甚高能伽马射线源巡天普查灵敏度世界最高,超高能宇宙线能量覆盖范围世界最宽。

广角切伦科夫望远镜SiPM相机。(中科院高能物理所供图)

  宇宙线粒子进入大气层后,会和大气中的原子核发生相互作用,产生许多次级粒子,次级粒子则继续重复同样的过程,产生新的次级粒子,如此多次重复,到达地面时就像下了一场粒子“阵雨”。

  “拉索”总工艺师、中科院高能物理所研究员何会海说,“拉索”采用四种探测技术,可全方位接收粒子“阵雨”的信息,并开展多变量精确测量。

  其中,水切伦科夫探测器阵列用于观测粒子“阵雨”中的次级粒子在水中产生的切伦科夫光,以求发现大量伽马射线源;广角切伦科夫望远镜阵列用于测量粒子“阵雨”的切伦科夫光或荧光;电磁粒子探测器阵列和缪子探测器阵列则分别测量粒子“阵雨”中的次级电磁粒子和缪子含量。

  何会海介绍,“拉索”项目团队突破了广角切伦科夫望远镜不能在月夜工作的瓶颈,使有效观测时间成倍增长;发展了大面积、多节点、高精度时钟同步技术;把观测阈能从3000亿电子伏降低到700亿电子伏,大大扩展了观测能力。

  向宇宙线起源之谜发起冲击

  “我们将向着科学前沿课题——宇宙线起源之谜发起冲击!”曹臻满怀信心。

“拉索”上方的星空。(中科院高能物理所供图)

  据介绍,基于超高的探测灵敏度,“拉索”在初步运行期间已取得多项突破性科学成果,包括:在银河系内发现大量超高能宇宙加速器候选天体,记录到人类观测到的最高能量光子,精确测定了标准烛光蟹状星云的超高能段亮度,发现1千万亿电子伏伽马辐射等。

  “拉索”面向国内外全面开放共享,目前已有28个天体物理研究机构成为“拉索”的国际合作组成员单位。合作组利用“拉索”观测数据开展粒子天体物理研究,同时进行宇宙学、天文学等众多领域基础研究。

  截至目前,基于“拉索”项目发表的期刊论文超过200篇,会议论文超过150篇。

  “‘拉索’将成为以中国为主、多国参与的国际宇宙线研究中心,借助高海拔伽马天文、宇宙线的观测优势,成为独具特色、综合开放的科学研究平台。”曹臻说。

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