中国开建大型超高能伽玛射线观测站，探究宇宙线之源

原文以Chinese mountain observatory to probe cosmic-ray origins为标题

发布在2017年3月15日的《自然》新闻上

原文作者：David Cyranoski

LHAASO，大型高海拔空气簇射观测站，将在此前未探索过的能量带内拦截伽玛射线簇射。

这座建造在高山之上的宏伟观测站将会为宇宙线（射向地球的高能粒子）的起源提供独特的研究视角。该项目已开始施工，它是人类探测超高能伽玛射线的首次尝试。超高能伽玛射线被认为是银河系中与宇宙线一同形成的辐射波，但其来源更容易追踪。

观测站占地1.3平方千米，位于四川省稻城县附近，邻近西藏。在环评报告说服政府建设观测站不会危害附近自然保护区中的白唇鹿（Cervus albirostris）和其他动物后，这一项目于今年1月获得了批准。现在，施工方正在为价值12亿元的大型高海拔空气簇射观测站（LHAASO）安装基础设施。

“这将是阐明宇宙线物理学相关问题的引领项目，”罗马国家核物理研究所（INFN）的粒子物理学家Giuseppe Di Sciascio说。Di Sciascio与来自瑞士、俄罗斯和泰国等国的研究者都希望能参与这一项目的合作。

LHAASO将会探索的一个主要物理学问题是，是什么将宇宙线（质子或原子核等带电粒子）加速到了如此之高的能量。一些撞击地球的宇宙线的能量比日内瓦附近的大型强子对撞机（最强大的人造粒子加速器）还要高数百万倍。科学家推测，一些天体现象，比如黑洞或超新星可能是宇宙线的来源，但这些假说还未被明确证实。

磁场能在带电粒子穿过太空时改变它们的方向，使人们无法追踪其路径。但不带电荷的伽玛射线是直射的。科学家猜测，发射高能伽玛射线的一些机制可能也是宇宙线的发射源；因此，他们希望追踪射向地球的伽玛射线的路径，以精确定位宇宙线的来源。LHAASO项目主任，中科院高能物理研究所的天体粒子物理学家曹臻表示：“伽玛射线能直接指向宇宙线的源头。”

中国将在四川省稻城县附近的海子山建造一座超高能伽玛射线观测站。
Michael Freeman/Alamy

迄今为止，人类已经发现了约180个高能伽玛射线源，但没有一个被证实也产生了宇宙线。但LHAASO将是首个寻找最高能量的伽玛射线，也就是千万亿电子伏特电子伏特（1015eV）范围射线的观测站。哈佛大学的理论天体物理学家Avi Loeb说，“LHAASO是首个探测这一范围的观测站，将会为研究伽玛射线创造全新的机遇。”

曹臻表示，每个阵列的四分之一将会在2018年安装完成，预计将在2019年获得首个结果——很有可能是对蟹状星云的分析。观测站预计将于2021年1月完工。

Di Sciascio说，LHAASO密集的探测器阵列和地理位置赋予了它前所未有的超高能伽玛射线探测能力。地球上层大气会吸收这些射线，分裂出由低能粒子组成的空气簇射。由于LHAASO的海拔超过4.4千米，其探测器便能在空气簇射衰变成更低能的粒子前捕获其中的大部分。

观测站拥有超过5000个闪烁体探测器（见“捕捉射线”），它能将伽玛辐射转换成可测量的光，以识别入射粒子的原始能量。

中国的高海拔观测站将会使用四个不同的阵列来探测伽玛射线和宇宙线。
IHEP

LHAASO 还包括80000平方米的大型地表水池，以利用契伦科夫效应——粒子在特定介质中的传播速度比该介质中的光速更快时会发出光。来自伽玛射线簇射的粒子穿过空气或水时会出现这种现象。地表水池装备有检测蓝色光的光电倍增管，科学家可以使用这些数据来计算粒子的能量和方向。他们试图通过组合来自不同粒子的数据来重建原始伽玛射线。

LHAASO的地表水阵列比墨西哥Picode Orizaba国家公园的高海拔地表水契伦科夫（HAWC）伽玛射线观测站的探测池大4倍，后者自2015年以来已经发现了数十个伽玛射线源。曹臻不愿估计LHAASO将能检测到多少个伽玛射线源，但表示科学家希望它能将已知的伽玛射线源数量增加到数千级。

另一种探测器也将协助LHAASO在千兆电子伏特范围内检测伽玛射线：1171个地下水箱将被用于探测μ子。不同于其他粒子，μ子能够穿透地表。相比于宇宙线簇射，伽玛射线簇射所含的μ子数量更少，这有助于研究者筛选出伽玛射线事件。“如果射线中有很多μ子，我们就知道它是背景噪音，也就是宇宙线簇射，我们就能排除它，”曹臻解释道。

LHAASO也会直接探测宇宙线簇射，并为这一任务专门分配了12台望远镜。它们将会利用契伦科夫效应，使科学家得以计算出宇宙线的能量和组成。

Di Sciascio说，LHAASO可以确定银河系中的宇宙事件能产生的最大能量，因为它的检测能力达到了人们认为这类事件所能发射的最高能量范围。他希望LHAASO能解决这些有关能量上限的持续争论。他说，LHAASO的布局和多样的探测器配置“使我们相信所有这些问题都将会以前所未有的敏感度得到探索”。