當(dāng)你乘坐飛機(jī)從世界海拔最高的機(jī)場——稻城亞丁機(jī)場起飛后，透過舷窗向下俯瞰，除了巍峨的雪山和星羅棋布的“海子”（藏地對高原湖泊的稱謂）之外，或許還能看到一個(gè)壯觀的人造工程——一個(gè)由成千上萬臺粒子探測器組成的陣列，坐落在廣袤高原上。它像一只睜開的大眼睛一樣，時(shí)刻等待著來自宇宙深處的信使，這就是世界上最靈敏的超高能伽馬探測裝置——高海拔宇宙線觀測站（LHAASO，簡稱“拉索”）。

“拉索”是世界上海拔最高、規(guī)模最大、靈敏度最強(qiáng)的宇宙射線探測裝置，是中國國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，已經(jīng)取得多項(xiàng)突破性科學(xué)成果。那么，這只“眼睛”是如何捕捉虛無縹緲的宇宙射線的呢？目前已經(jīng)觀測到了哪些“宇宙信號”？這篇文章，讓我們來一起認(rèn)識一下這個(gè)性能強(qiáng)大的“宇宙之眼”。

“拉索”俯瞰圖

（圖片來源：中國科學(xué)院高能物理研究所）

“拉索”的四大探測器陣列

從俯瞰圖中可以看出，“拉索”由一大片密密麻麻的探測器組成，而這正是其觀測到宇宙線的核心秘密所在。

LHAASO由四種探測器組成，它們各有“絕活”。當(dāng)一個(gè)來自宇宙深處的高能粒子進(jìn)入大氣層后，會與空氣分子相互碰撞，產(chǎn)生由無數(shù)微觀粒子（如電子、繆子）組成的“粒子雨”，即空氣簇射。這些探測器會以多種方式捕捉到達(dá)地面的各種粒子，共同幫助科學(xué)家揭開宇宙線的神秘面紗。

電磁粒子探測器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

（圖片來源：中國科學(xué)院高能物理研究所）

電磁粒子探測器（ED）陣列

由5216個(gè)1平方米的閃爍體探測器組成，分布在1.3平方公里（相當(dāng)于180個(gè)標(biāo)準(zhǔn)足球場面積）的區(qū)域內(nèi)。當(dāng)有電子等電磁粒子落到任何一臺探測器上，都會使閃爍體激發(fā)出光信號從而被記錄下來。同時(shí)記錄下來的還有這些粒子的到達(dá)時(shí)間，它可以精確到十億分之一秒以內(nèi)！

要實(shí)現(xiàn)如此精確的時(shí)間測量，不僅需要探測器具有極高的時(shí)間分辨率，還需要用到高精度時(shí)間同步技術(shù)。這樣高的時(shí)間精度可以幫助科學(xué)家精確地計(jì)算出原初宇宙線粒子的方向。

繆子探測器（MD）陣列

由1188個(gè)埋在土堆下的水罐組成，它們被設(shè)計(jì)用來接收“粒子雨”中穿透力極強(qiáng)的繆子。在這些水罐中封裝著的是超純水，這是因?yàn)樗鼈冃枰陂L達(dá)20年的時(shí)間內(nèi)保持水質(zhì)穩(wěn)定。這些水罐還被埋在土堆下，這是為了阻擋除了繆子以外的其他穿透能力較弱的粒子。

由于伽馬射線產(chǎn)生的繆子更少，MD與ED聯(lián)合工作，能夠幫助人們把稀少的伽馬射線從海量宇宙線背景中準(zhǔn)確地識別出來。

繆子探測器的結(jié)構(gòu)示意圖

（圖片來源：中國科學(xué)院高能物理研究所）

水切倫科夫探測器陣列（WCDA）

這是位于陣列中央，占地面積達(dá)78,000平方米的三個(gè)大水池，這些水池內(nèi)部被分成3120個(gè)隔間，以避免信號的互相干擾。

當(dāng)“粒子雨”以極高的速度沖入水中時(shí)，會激起一圈圈淡淡的藍(lán)光，就像快艇劃過水面時(shí)產(chǎn)生的波紋。水池底部密布著數(shù)千只極其敏感的光敏探頭，它們能瞬間捕捉到這些人眼難以察覺的微弱閃光。根據(jù)閃光出現(xiàn)的時(shí)間和位置，就能精確推算出產(chǎn)生這陣“粒子雨”的原初粒子是從哪個(gè)方向來的，能量有多大。

處于建設(shè)時(shí)期的WCDA的內(nèi)部

（圖片來源：中國科學(xué)院高能物理研究所）

廣角大氣切倫科夫探測器陣列（WFCTA）

在水池旁邊，還矗立著18臺望遠(yuǎn)鏡。它們就像一臺臺巨大的“單反相機(jī)”，在晴朗的夜里將鏡頭對準(zhǔn)星空，抓拍住“粒子雨”劃過大氣留下的“側(cè)顏”。這種觀測方式能極為準(zhǔn)確地估計(jì)出整場“粒子雨”的總能量。

這些望遠(yuǎn)鏡可不是一般的天文望遠(yuǎn)鏡，它們是由20多面球面鏡和硅光電倍增管組成的精密成像系統(tǒng)。這些望遠(yuǎn)鏡能夠以極高的靈敏度捕捉到宇宙線次級粒子在大氣中產(chǎn)生的微弱的切倫科夫光，不僅能夠抵御高原環(huán)境的考驗(yàn)，并且即使在月光的干擾下也能夠正常工作。

廣角大氣切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列

（圖片來源：中國科學(xué)院高能物理研究所）

正是憑借以上這四種數(shù)量眾多、性能強(qiáng)大的探測器，LHAASO才能夠在地面洞察宇宙的奧秘。

“拉索之眼”觀測到了什么？

在以上四種探測器陣列的協(xié)作配合下，“拉索”成果豐碩。從在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)十幾個(gè)超高能宇宙加速器，到觀測到來自天鵝座的人類史上最高能量光子，再到完整記錄下最亮的“宇宙煙花”——伽馬射線暴。在“拉索”的協(xié)助下，我們一次又一次加深了對宇宙的認(rèn)識。

在僅完成一半規(guī)模時(shí)，“拉索”就發(fā)現(xiàn)了在銀河系內(nèi)普遍存在的大量超高能宇宙加速器，并記錄到了能量高達(dá)一千四百萬億電子伏的伽馬光子，這是人類觀測到的最高能量光子，改變了人類對銀河系的傳統(tǒng)認(rèn)知，標(biāo)志著“超高能伽馬天文學(xué)”時(shí)代的開啟。2022年10月，全陣列建成的“拉索”記錄到了編號為GRB 221009A的人類有記錄以來最亮的伽馬射線暴，完整記錄了該伽馬射線暴高能余暉的爆發(fā)全過程。拉索的科學(xué)發(fā)現(xiàn)還包括：首次精確測量了宇宙“標(biāo)準(zhǔn)燭光”蟹狀星云在超高能段的伽馬能譜，發(fā)布了包含43個(gè)超高能伽馬射線源的星表，在天鵝座恒星形成區(qū)發(fā)現(xiàn)了巨型超高能伽馬射線泡狀結(jié)構(gòu)，以前所未有的精度測量了宇宙線“膝”區(qū)能譜的變化等等。

下一次，當(dāng)你從“拉索”上空飛過，請記得，在下方海拔4410米的高原上，有這樣一個(gè)“天陣”正默默地聆聽來自宇宙深處的低語，它不僅是科技工作者在大地上鐫刻的印記，也是人類對未知的好奇與追尋。

出品：科普中國

作者：張笑鵬（中國科學(xué)院高能物理研究所）

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