原創(chuàng) 見文末 我是科學(xué)家iScientist

1912年美國(guó)物理學(xué)家維克多·赫斯利發(fā)現(xiàn)，地球大氣中存在的帶電高能粒子，其實(shí)來自遙遠(yuǎn)的宇宙，而這些粒子也因此被命名為“宇宙射線”。那么，宇宙射線中到底都有哪些粒子，人類又如何探測(cè)宇宙射線呢？我國(guó)在探測(cè)宇宙射線的道路上，又做出了哪些努力，克服了哪些困難呢？

9月21日，“走近科研團(tuán)隊(duì)，感受科技魅力”線上直播活動(dòng)由中國(guó)科協(xié)科普部主辦，果殼、“書香中國(guó)?北京閱讀季”協(xié)辦，并得到北京廣播電視臺(tái)及中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所的共同支持。活動(dòng)邀請(qǐng)了中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員，高海拔宇宙線觀測(cè)站水切倫科夫探測(cè)器列陣負(fù)責(zé)人陳明君，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所副研究員，高海拔宇宙線觀測(cè)站(LHAASO)廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列負(fù)責(zé)人張壽山，清華大學(xué)副研究員，研究領(lǐng)域主要為核電子學(xué)、自動(dòng)控制、嵌入式系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集，高海拔宇宙線觀測(cè)站時(shí)鐘系統(tǒng)負(fù)責(zé)人龔光華。他們分別從自己的工作領(lǐng)域，為觀眾分享了高能粒子方面的知識(shí)。

什么是宇宙射線？

宇宙射線是來自宇宙空間的高能粒子，它的主要成分是帶電粒子，例如質(zhì)子、氦核、碳氮氧、鎂鋁硅、鐵核等元素和少量的電子，還包含少量中性粒子例如光子和中微子。

宇宙射線至今已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)有100多年了，最高能量高達(dá)1021（十萬億億）電子伏特。現(xiàn)在歐洲核子中心大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）能把粒子加速到的最高能量為1013（十萬億）電子伏特。宇宙線射線的最高能量比人工加速器的最高能量高達(dá)一億倍。

對(duì)宇宙線的測(cè)量分空間直接測(cè)量和地面間接測(cè)量。直接測(cè)量實(shí)驗(yàn)需要人造衛(wèi)星或高空氣球來運(yùn)載探測(cè)器，把探測(cè)器運(yùn)載到大氣層之上，避免宇宙射線和大氣層之間發(fā)生反應(yīng)。我國(guó)的悟空暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星就屬于直接測(cè)量實(shí)驗(yàn)。

科學(xué)家們?cè)诘孛嫔蠑[放幾百平方米，甚至到幾千平方公里的探測(cè)器陣列，來測(cè)量能量在百萬億電子伏特以上的宇宙射線。在地面上擺放探測(cè)器陣列來測(cè)量宇宙射線的方法被稱作地面間接測(cè)量方法。例如我國(guó)正在建設(shè)的，位于四川甘孜州稻城海子山的高海拔宇宙射線觀測(cè)站（LHAASO）實(shí)驗(yàn)，就屬于地面間接測(cè)量。

LHAASO拉索，高海拔宇宙射線觀測(cè)站

簡(jiǎn)單來說，高能宇宙線的起源問題，從1912年我們發(fā)現(xiàn)它的存在，就一直未獲解決的世紀(jì)難題，比如說典型的宇宙線，可以有1013電子伏能量，遠(yuǎn)高于我們?nèi)祟惣铀倨骺梢援a(chǎn)生的能量，那么，如此之高的能量又是從哪里的來的？是怎么得到的呢？我們的“LHAASO”的科學(xué)目標(biāo)就瞄準(zhǔn)了這里。

我們所知道得宇宙線主要是高能光子（也稱之為γ）、質(zhì)子和其它各種穩(wěn)定的原子核，這些進(jìn)入地球大氣層的高能宇宙線原初粒子，會(huì)與空氣中的原子核相碰撞，連續(xù)發(fā)生強(qiáng)相互作用和電磁相互作用，產(chǎn)生大量次級(jí)粒子。這個(gè)從一個(gè)高能宇宙線原初粒子，在大氣中級(jí)聯(lián)產(chǎn)生出大量次級(jí)粒子的過程，我們稱之為—廣延大氣簇射（EAS），也是我們LHAASO探測(cè)的主要物理過程。

原初宇宙線到達(dá)地球的大氣層中，產(chǎn)生大量次級(jí)粒子 | 中國(guó)科學(xué)院高能物理所

在LHAASO的近方圓1.3平方公里、布下近萬通道的探測(cè)器，將探測(cè)到這些次級(jí)粒子，我們將通過詳細(xì)測(cè)量廣延大氣簇射中的次級(jí)粒子數(shù)據(jù)信息，追溯出高能宇宙線粒子的特征，再追溯到高能宇宙線粒子的“源”，從而研究高能宇宙線的產(chǎn)生機(jī)制。

最近的LHAASO觀測(cè)站航拍圖 | 中國(guó)科學(xué)院高能物理所

LHAASO由于需要測(cè)量高能宇宙線的探測(cè)需求，對(duì)站址有很多的特殊要求。團(tuán)隊(duì)反反復(fù)復(fù)，曲曲折折，歷時(shí)五年跑遍了西藏、青海、云南、四川等地選址。最終，美麗的四川稻城海子山以高海拔、交通便利、電力穩(wěn)定、水資源充足和地方政府強(qiáng)有力支持等優(yōu)勢(shì)勝出。

LHAASO項(xiàng)目選址的曲折歷史 | 中國(guó)科學(xué)院高能物理所

從宇宙射線中如何理解宇宙、人類？

從古代人抬頭遐想，并陸續(xù)提出天圓觀、渾天說和地有四游，到伽利略發(fā)明第一臺(tái)天文望遠(yuǎn)鏡初識(shí)月球表面，再到實(shí)現(xiàn)登月的“一小步”以及各種飛船上天入地，人類對(duì)宇宙永遠(yuǎn)帶著敬畏和獵奇未知。而對(duì)未知的好奇，是人類科學(xué)發(fā)展，一個(gè)樸素的、永恒的驅(qū)動(dòng)力。

預(yù)期在2021年底，完成LHAASO建設(shè)安裝任務(wù)并投入全陣列運(yùn)行。從投入規(guī)模上講，其可以在宇宙線研究百年歷史上排第二，僅次于美國(guó)在南極建起的“冰立方”中微子探測(cè)器。

宇宙線發(fā)現(xiàn)后的100多年來，與之相關(guān)的研究獲得5次諾貝爾獎(jiǎng)，但是人類還不清楚高能宇宙線的主要來源在什么地方。什么樣的物理過程把這些粒子加速到如此高的能量？它們飛往地球的旅途中經(jīng)歷了什么？它們?cè)谟钪嫜莼麟A段起什么作用？LHAASO的建成和科學(xué)運(yùn)行，有望回答此類最基本的問題。

LHAASO在稻城海子山的建成，具體位置在稻城亞丁機(jī)場(chǎng)附近，也對(duì)當(dāng)?shù)氐目萍肌⑽幕逃⒙糜我约暗胤浇?jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生積極的影響。

作者：陳明君、張壽山、龔光華

編輯：范可鑫、劉天昊、小米、皓銘

排版：凝音

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原標(biāo)題：《來自外太空的高能粒子，如何揭秘宇宙起源？ | 科研團(tuán)隊(duì)聯(lián)合行動(dòng)》

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