24億年前，一顆比太陽重20多倍的“超級太陽”在耗盡自身燃料后，迎來了生命的終章。在死亡瞬間，它急速坍縮，引發(fā)一場驚天動地的大爆炸，巨大的爆炸火球騰空而起，化作一朵持續(xù)幾百秒的“宇宙煙花”。2022年10月9日21時20分50秒，地球收到了這份來自24億光年外的“絢麗禮物”——史上最亮伽馬射線暴GRB221009A。

它是宇宙大爆炸之后最劇烈的爆炸現(xiàn)象，宛如宇宙深處綻放的絢麗煙火，璀璨奪目卻又轉(zhuǎn)瞬即逝。產(chǎn)生的大量萬億電子伏特（TeV）高能伽馬光子，如同宇宙使者，帶著宇宙的奧秘與故事，踏上了漫長的星際之旅。歷經(jīng)24億年的漂泊，它們跨越時空，終于抵達地球，訴說著遙遠時空的傳奇。

這場被譽為千年一遇的宇宙奇觀，被位于四川稻城海子山上的高海拔宇宙線觀測站（LHAASO，簡稱“拉索”）敏銳捕捉。作為我國“十二五”期間立項建設(shè)的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，LHAASO憑借高靈敏度和大視場優(yōu)勢，成為了這場“煙花秀”的“最佳記錄者”——它在國際上首次完整記錄下了伽馬射線暴萬億電子伏特以上高能光子爆發(fā)的全過程。

“拉索”率先發(fā)現(xiàn)了此次伽馬射線暴歷史最亮的秘密（藝術(shù)示意圖）

（圖片來源：中國科學院高能物理研究所）

科學家們發(fā)現(xiàn)，高能光子亮度在早期快速增強，后期又突然快速減弱。通過深入研究，揭開了這場伽馬射線暴成為史上最亮的秘密：其極端相對論噴流具有迄今已知最小的張角。不僅如此，LHAASO還精確測量了伽馬射線暴亮度隨光子能量的變化，觀測能譜延伸至十萬億電子伏特以上，遠超理論預期，給伽馬射線暴余輝輻射的標準模型帶來了巨大挑戰(zhàn)。

那么，捕捉到史上最亮伽馬射線暴的LHAASO主要由哪些探測器組成？它是如何探測宇宙線的？在設(shè)計過程中，科研人員們又有哪些特殊考量，克服了怎樣的困難呢？本篇文章中，我們將對這些疑問一一解答。

LHAASO的探測器陣列

LHAASO陣列由三大主體探測器組成：覆蓋面積1.3平方千米的電磁粒子探測器（ED）陣列和有效面積超過40000平方米的繆子探測器（MD）陣列，測量簇射中次級電磁粒子和次級繆子，兩者共同構(gòu)成一平方公里地面簇射粒子陣列（KM2A），旨在超高能區(qū)發(fā)現(xiàn)大批銀河系內(nèi)伽馬射線源，并確認哪些是真正的宇宙線源，進而揭示宇宙線起源的奧秘；

78000平方米的水切倫科夫探測器陣列（WCDA），測量簇射次級粒子在水中產(chǎn)生的切倫科夫光，在甚高能段，實現(xiàn)對銀河系內(nèi)北天區(qū)的伽馬射線源的巡天普查，并監(jiān)測視場中的時變現(xiàn)象；18臺廣角切倫科夫望遠鏡陣列（WFCTA），測量簇射次級粒子在大氣中產(chǎn)生的切倫科夫光或熒光，實現(xiàn)對宇宙線分成份能譜的精確測量，破解“膝”的成因。

高海拔宇宙線觀測站的構(gòu)成與布局

（圖片來源：LHAASO）

在LHAASO探測器的幾個陣列中，其“王牌成員之一”水切倫科夫探測器陣列（WCDA）在這場觀測伽馬射線暴GRB221009A過程中功不可沒。其總面積達78000平方米，相當于11個標準足球場的WCDA，由三個巨型水池組成。兩個150米×150米的“方形巨盒”和一個300米×110米的“長形堡壘”成“品”字形布局，內(nèi)部3120個探測器單元和6240個光敏探頭嚴陣以待，時刻準備“捕捉”高能粒子的蹤跡。

有讀者或許已經(jīng)注意到，這三個巨型水池的布局并非隨意安排，而是特意設(shè)計成“品”字形——這一方案的確定，主要是綜合考量地形環(huán)境、科學物理目標、工程實施進度與預算成本后，得出的最優(yōu)解。

LHAASO如何探測宇宙線？

宇宙射線是來自宇宙深處的高能粒子流，就像宇宙中極端高能現(xiàn)象的“信使”。它們的主要成分是帶電原子核，占比超過99%——其中大部分是質(zhì)子和氦核，還有一些少量重核。剩下的則是極少量電子、伽馬光子、中微子和反物質(zhì)粒子（比如正電子、反質(zhì)子）。這可是人類目前能從宇宙深處直接拿到的唯一物質(zhì)樣本。

最驚人的是它們的能量：觀測到的最高能量達電子伏特，大概48焦耳——差不多是一顆以150千米/小時速度飛行的網(wǎng)球的動能。一個微觀粒子能被加速到這種宏觀物體級別的能量，比地球最大的粒子加速器LHC的最高能量還要高千萬倍！

宇宙線強子與星際介質(zhì)發(fā)生強相互作用，產(chǎn)生中性π介子，繼而衰變?yōu)橘ゑR射線。伽馬射線呈電中性，在復雜的星際磁場中不受洛倫茲力偏轉(zhuǎn)，沿直線傳播。當它們到達地球上空的大氣層時，會發(fā)生一種“廣延大氣簇射”的現(xiàn)象。從地球上探測這些來自外太空的原初高能光子，實際是探測級聯(lián)簇射產(chǎn)生的次級粒子，根據(jù)LHAASO探測器陣列記錄到的次級粒子到達時間、位置、電荷，再反推得到原初高能光子的入射方向、能量等信息。從伽馬射線的觀測結(jié)果進一步反推最初加速源區(qū)的性質(zhì)和特征。

地處高原，LHAASO如何應對環(huán)境挑戰(zhàn)？

地處海拔4410米的高原，LHAASO面臨著嚴峻的環(huán)境挑戰(zhàn)。以WCDA的誕生為例，其研制過程凝聚著科研人員和建設(shè)團隊無數(shù)的心血與智慧。

2017年6月22日，主體基建工程正式啟動。面對高原缺氧、高寒和重濕度等惡劣環(huán)境，WCDA采用了特有的“薄壁混凝土現(xiàn)澆邊墻+軟基土工膜防滲系統(tǒng)+大跨度輕鋼屋面結(jié)構(gòu)”設(shè)計，創(chuàng)新的設(shè)計成功實現(xiàn)探測器對避光、防凍、防銹蝕和水位保持等超標準指標要求。

探測器團隊在氣候條件惡劣的冬季完成了一號、二號水池的安裝任務，并于2020年10月底按期完成了全部探測器的安裝調(diào)試工作。三個水池共35萬噸凈水的注入均在冬季缺水但水質(zhì)良好的條件下完成，運行人員克服了夜里零下20多度的惡劣氣候條件，保證原水穩(wěn)定供給和凈水備制逾3000小時，為探測器賦予“生命”。

此外，LHAASO項目組還大膽創(chuàng)新，在二號、三號水池采用我國自主研發(fā)的新一代20英寸光電倍增管。其具備國際領(lǐng)先的靈敏面積，讓WCDA在甚高能段探測能力大幅提升。

如今，WCDA的有效探測面積和靈敏度分別是國際上同類型實驗美國HAWC實驗的4倍和6倍。WCDA結(jié)合KM2A能夠精準捕捉銀河系內(nèi)的部分超新星遺跡、脈沖星風云，以及河外源中耀變體的甚高能和超高能伽馬輻射，實現(xiàn)近4個量級的全覆蓋能譜測量，將為深度探索天體的輻射機制、最終揭開宇宙線起源的謎底發(fā)揮重要作用。

LHAASO航拍圖

（圖片來源：中國科學院高能物理研究所）

稻城海子山，因1145個星羅棋布的海子而美麗動人。白天，海子波光閃閃；夜晚，穹頂星光璀璨。在這片美麗的土地上，LHAASO如同一個永遠保持好奇的孩童，時刻仰望著蒼穹，探索著宇宙的奧秘。而那場千年一遇的“宇宙煙花”，不僅是宇宙贈予人類的奇跡，更是激勵著科研人員不斷前行，去探索更多未知的動力。未來，在這片星空下，還會有怎樣的宇宙奇觀等待著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)呢？

出品：科普中國

作者：李會財（中國科學院高能物理研究所）

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