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同类|新探测器投用！全球灵敏度最高的同类宇宙线观测站在四川

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它是捕捉“天外来客”的神器
【同类|新探测器投用！全球灵敏度最高的同类宇宙线观测站在四川】它助力于破解“新世纪科学研究的世纪谜题”
它是我国十二五期间启动的国家重大科技基础设施项目
12月6日 ， 海拔4410米的稻城海子山 ， 经过两年半的建设 ， 高海拔宇宙线观测站（LHAASO项目）迎来两个重大节点 。
其一 ， 观测站最后一个缪子探测器建成投用 ， 标志着观测站的缪子探测器阵列主体工程完工 。
其二 ， 观测站3/4规模阵列正式“上岗” ， 包括917个缪子探测器与4008个电磁粒子探测器 ， 标志着我国已建成世界上高能伽马探测灵敏度最高的观测站 。
这些神秘的探测器是怎么运行的？采访人员走进稻城高海拔宇宙线观测站为你揭秘 。

同类|新探测器投用！全球灵敏度最高的同类宇宙线观测站在四川
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高海拔宇宙线观测站一角 摄影 徐莉莎
从“天外来客”探知宇宙奥秘
宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子 。 高能所研究员、电磁粒子探测器阵列分总体副主任盛祥东告诉采访人员 ， 宇宙线主要由质子和多种元素的原子核组成 ， 也包含少量电子和光子 。
它们无时不刻造访着地球 。 在靠近地球的太空中 ， 每秒每平方公分约有一个宇宙射线穿过 。 但由于大气层的保护 ， 高能粒子的能量在穿过大气层的过程中 ， 大部分都被吸收了 ， 人体感知不到“天外来客”的造访 。
但这些“沉默不语”的客人 ， 又非常重要 。 它们身上携带着宇宙起源、天体演化、太阳活动、宇宙空间环境等重要科学信息 。
它几乎是人类获取太阳系外物质样本的唯一渠道 。 因此被科学家认为是传递“宇宙大事件”的信使和发现“宇宙加速器”的探针 。
人类研究它的历史已超百年 ， 相关研究产生了5枚诺贝尔奖牌 ， 但它的起源和加速机制等依然未能完全解释 。 美国国家科学技术委员会将其确定为“新世纪科学研究的11个世纪谜题”之一 。
一个多世纪以来 ， 人类对宇宙线的探索手段可谓“上天”“入地”“下海” ， 在大气层外或大气层顶部、地面、海底 ， 通过不同手段探测 。
自1954年起 ， 我国就在海拔3180米的云南罗雪山建起了我国第一个高山宇宙线实验室 。 在上世纪七八十年代 ， 分别在西藏甘巴拉山和西藏羊八井建起了高山乳胶室和宇宙线观测站 。
2008年 ， 建设一个大型高海拔宇宙线观测站的项目开始了前期预研 。 历时6年 ， 科学家在我国高海拔地区进行了广泛选址和实地踏勘调研 ， 最终在四省五地中选定了稻城县海子山平均海拔为4410米的高地作为观测站站址 。
国家和地方斥资12亿元建设LHAASO ， 就是为了“捕捉天外来客” ， 探索高能宇宙线起源 ， 开展相关的高能辐射、天体演化以及暗物质分布等基础科学研究 。 2017年6月 ， 主体工程动工；2019年4月首批探测器投入科学观测；今年12月 ， LHAASO中3/4的探测器投入科学运行 。
高原“天网”捕捉粒子“阵雨”
从航拍图上看 ， 占地1.36平方公里的LHAASO就像一枚铜钱 ， 放置在群山之间 。 科学家们将它戏称为“孔方兄” 。
项目建设周期为4年 ， 所以现在“铜钱”的西北角还有部分残缺 。 但这并不妨碍它呈现的科学之美 。
正中间 ， 三个装有纯净水的加盖大水池组成的水切伦科夫探测器近似正方形 ， 每个水池里都放有探测器 ， 用来观察“天外来客”在水中产生的光 。 其四周均匀分布着形似土堆的1188个缪子探测器、5195个电磁粒子探测器、18台广角切伦科夫望远镜 。
电磁粒子探测器阵列：由5195个电磁粒子探测器组成
缪子探测器阵列：由1188个缪子探测器组成
水切伦科夫探测器阵列：由3000路探测单元组成 ， 探测面积7.8万平方米
广角切伦科夫望远镜阵列：已建成12台望远镜 ， 覆盖3072平方度的天区范围
4种探测器在高原组成“天网” ， 用复合、精确的测量手段 ， “捕捉”从外太空进入地球大气层的“天外来客” ， 对它们进行全息式的“体测” ， 测量它们的能量、种类、几何信息等指标 。
为什么科学家们要背井离乡 ， 在高海拔地区建设探测器？
这要从“客人们”进入大气层后的变化说起 。 据盛祥东介绍 ， 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；次级粒子也带着较高的能量 ， 继续和大气中的原子核相互作用产生新的次级粒子……如此重复十几次 ， 最终次级粒子数可达百亿 ， 在空气中像一场粒子“阵雨” ， 瞬间散布在数平方公里的面积上 。 这个过程被称为“广延空气簇射” 。
而粒子“阵雨”在抵达地面的过程中 ， 又有一个从多到少的过程 ， 会被大气层“吞噬”一部分 。 因此 ， 在高海拔地区布局探测器 ， 就是为了抢在大气层“吞噬”前 ， 捕捉到更多的次级粒子 ， 获取更多信息 。
各单元的探测器通过闪烁体、水、大气等转换介质 ， 将粒子“阵雨”在介质中沉积的能量转化成光子 ， 再经光电倍增管接收放大后 ， 通过光电转化 ， 变成我们熟悉的电信号读出并记录 。
分析粒子“阵雨”携带的信息 ， 就能分析出原初宇宙线与大气的相互作用 ， 反推原初粒子的性质 ， 开展相关物理研究 。
据了解 ， LHAASO将于2021年全部建成 。 凭借其宽广的能量覆盖和超高清的空间分辨率 ， LHAASO有望占据国际领先地位 ， 产生影响深远的科学成果 ， 开创天文观测新时代 。
土堆下的缪子探测器
行走在观测基地 ， 一个个36平方米大小的“土堆”就是缪子探测器 。 在整个基地中 ， 这样的探测器有1188个 。 据高能所副研究员、缪子探测器阵列分总体副主任肖刚介绍 ， 它主要用于测量粒子“阵雨”中的缪子含量 。
土层用来屏蔽次级粒子中的电磁成分 ， 土堆下是一个直径6.8米、高1.2米的混凝土罐体 。 罐体中放置了装有超纯水的高反射率水袋 ， 当缪子进入水体 ， 在水中产生切伦科夫光 ， 水袋顶部中心的光电倍增管 ， 将接收的光信号放大 ， 再转化为电信号进行测量 。
缪子探测器处于十分复杂的地形地貌之中 ， 其设计施工也面临挑战 。 部分探测器处于沼泽区域 ， 它们在雨季长期处于水线以下 ， 极容易渗水 。 海子山最大昼夜温差达到30多度 ， 而罐体内的温差年变化不能超过5度；内部放置的水袋 ， 经过长途运输、压差变化、吊装铺设 ， 也面临着防渗漏的难题 。
缪子探测器阵列主体工程自2018年开始建设以来 ， 设计、施工单位在诸多细节上进行了针对性的技术攻关 ， 克服了诸如高寒缺氧、施工保障条件简陋、地形地貌复杂、气候条件多变等困难 ， 成功完成主体建设 。
目前 ， 已投用的1077个探测器无一渗漏 。
随着主体工程的完成 ， 剩余的111台缪子探测器的超纯水灌注以及探测器调试等工作将在明年春季完成 。 届时 ， 整个缪子探测器阵列将全部投入运行 。
川观新闻采访人员 徐莉莎
_原题新探测器投用！全球灵敏度最高的同类宇宙线观测站在四川

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