原文以Chinese mountain observatory to probe cosmic-ray origins為標題

發(fā)布在2017年3月15日的《自然》新聞上

原文作者：David Cyranoski

LHAASO，大型高海拔空氣簇射觀測站，將在此前未探索過的能量帶內攔截伽瑪射線簇射。

這座建造在高山之上的宏偉觀測站將會為宇宙線（射向地球的高能粒子）的起源提供獨特的研究視角。該項目已開始施工，它是人類探測超高能伽瑪射線的首次嘗試。超高能伽瑪射線被認為是銀河系中與宇宙線一同形成的輻射波，但其來源更容易追蹤。

觀測站占地1.3平方千米，位于四川省稻城縣附近，鄰近西藏。在環(huán)評報告說服政府建設觀測站不會危害附近自然保護區(qū)中的白唇鹿（Cervus albirostris）和其他動物后，這一項目于今年1月獲得了批準。現(xiàn)在，施工方正在為價值12億元的大型高海拔空氣簇射觀測站（LHAASO）安裝基礎設施。

“這將是闡明宇宙線物理學相關問題的引領項目，”羅馬國家核物理研究所（INFN）的粒子物理學家Giuseppe Di Sciascio說。Di Sciascio與來自瑞士、俄羅斯和泰國等國的研究者都希望能參與這一項目的合作。

LHAASO將會探索的一個主要物理學問題是，是什么將宇宙線（質子或原子核等帶電粒子）加速到了如此之高的能量。一些撞擊地球的宇宙線的能量比日內瓦附近的大型強子對撞機（最強大的人造粒子加速器）還要高數(shù)百萬倍。科學家推測，一些天體現(xiàn)象，比如黑洞或超新星可能是宇宙線的來源，但這些假說還未被明確證實。

磁場能在帶電粒子穿過太空時改變它們的方向，使人們無法追蹤其路徑。但不帶電荷的伽瑪射線是直射的。科學家猜測，發(fā)射高能伽瑪射線的一些機制可能也是宇宙線的發(fā)射源；因此，他們希望追蹤射向地球的伽瑪射線的路徑，以精確定位宇宙線的來源。LHAASO項目主任，中科院高能物理研究所的天體粒子物理學家曹臻表示：“伽瑪射線能直接指向宇宙線的源頭。”

中國將在四川省稻城縣附近的海子山建造一座超高能伽瑪射線觀測站。
Michael Freeman/Alamy

迄今為止，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了約180個高能伽瑪射線源，但沒有一個被證實也產(chǎn)生了宇宙線。但LHAASO將是首個尋找最高能量的伽瑪射線，也就是千萬億電子伏特電子伏特（1015eV）范圍射線的觀測站。哈佛大學的理論天體物理學家Avi Loeb說，“LHAASO是首個探測這一范圍的觀測站，將會為研究伽瑪射線創(chuàng)造全新的機遇。”

曹臻表示，每個陣列的四分之一將會在2018年安裝完成，預計將在2019年獲得首個結果——很有可能是對蟹狀星云的分析。觀測站預計將于2021年1月完工。

Di Sciascio說，LHAASO密集的探測器陣列和地理位置賦予了它前所未有的超高能伽瑪射線探測能力。地球上層大氣會吸收這些射線，分裂出由低能粒子組成的空氣簇射。由于LHAASO的海拔超過4.4千米，其探測器便能在空氣簇射衰變成更低能的粒子前捕獲其中的大部分。

觀測站擁有超過5000個閃爍體探測器（見“捕捉射線”），它能將伽瑪輻射轉換成可測量的光，以識別入射粒子的原始能量。

中國的高海拔觀測站將會使用四個不同的陣列來探測伽瑪射線和宇宙線。
IHEP

LHAASO 還包括80000平方米的大型地表水池，以利用契倫科夫效應——粒子在特定介質中的傳播速度比該介質中的光速更快時會發(fā)出光。來自伽瑪射線簇射的粒子穿過空氣或水時會出現(xiàn)這種現(xiàn)象。地表水池裝備有檢測藍色光的光電倍增管，科學家可以使用這些數(shù)據(jù)來計算粒子的能量和方向。他們試圖通過組合來自不同粒子的數(shù)據(jù)來重建原始伽瑪射線。

LHAASO的地表水陣列比墨西哥Picode Orizaba國家公園的高海拔地表水契倫科夫（HAWC）伽瑪射線觀測站的探測池大4倍，后者自2015年以來已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)十個伽瑪射線源。曹臻不愿估計LHAASO將能檢測到多少個伽瑪射線源，但表示科學家希望它能將已知的伽瑪射線源數(shù)量增加到數(shù)千級。

另一種探測器也將協(xié)助LHAASO在千兆電子伏特范圍內檢測伽瑪射線：1171個地下水箱將被用于探測μ子。不同于其他粒子，μ子能夠穿透地表。相比于宇宙線簇射，伽瑪射線簇射所含的μ子數(shù)量更少，這有助于研究者篩選出伽瑪射線事件。“如果射線中有很多μ子，我們就知道它是背景噪音，也就是宇宙線簇射，我們就能排除它，”曹臻解釋道。

LHAASO也會直接探測宇宙線簇射，并為這一任務專門分配了12臺望遠鏡。它們將會利用契倫科夫效應，使科學家得以計算出宇宙線的能量和組成。

Di Sciascio說，LHAASO可以確定銀河系中的宇宙事件能產(chǎn)生的最大能量，因為它的檢測能力達到了人們認為這類事件所能發(fā)射的最高能量范圍。他希望LHAASO能解決這些有關能量上限的持續(xù)爭論。他說，LHAASO的布局和多樣的探測器配置“使我們相信所有這些問題都將會以前所未有的敏感度得到探索”。