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【导语】在地球的高空之外，一场由数千亿颗微小粒子汇聚而成的“暴雨”正不断轰击着大气层。这些粒子，即高能原初宇宙线，携带着宇宙深处的秘密。为了捕捉这些神秘的“粒子雨”，我国在四川稻城县海拔4400米的海子山上建立了世界上海拔最高、规模最大、灵敏度最强的宇宙射线探测装置——高海拔宇宙线观测站（LHAASO）。本文将深入探讨LHAASO如何观测这些宇宙“雨滴”，并据此破解宇宙线的起源之谜，以及其在探索宇宙演化、高能天体演化和暗物质研究中的重要作用。

出品：

作者：左雄（中国科学院高能物理研究所）

监制：中国科普博览

在我们的肉眼视线范围之外，地球沐浴在一场场来自宇宙深处的的“暴雨”中。不过，这场雨并非由水滴组成，而是由数千亿颗微小的粒子汇聚而成——这是高能原初宇宙线粒子撞击地球大气时引发的现象。

在我国四川稻城县海拔4400米的海子山上，高海拔宇宙线观测站（LHAASO，简称“拉索”）正静静等候。作为宇宙神秘“信使”的宇宙线在不断拍打着人类家园的大门，它们随即便在大气中化作“阵雨”洒落在高海拔宇宙线观测站上。LHAASO通过大面积摆放不同类型探测器，捕捉这些宇宙“雨滴”的踪迹。

不过，LHAASO为什么需要捕捉这些来自宇宙深处的“粒子雨”呢？如何根据(jù)观(guān)测(cè)结(jié)果(guǒ)破(pò)解(jiě)宇(yǔ)宙(zhòu)线(xiàn)之(zhī)谜(mí)？相(xiāng)比(bǐ)于(yú)其(qí)它(tā)观(guān)测(cè)装(zhuāng)置(zhì)，我(wǒ)国(guó)的(de)LHAASO有(yǒu)何(hé)优(yōu)势(shì)？这(zhè)些(xiē)问(wèn)题(tí)正(zhèng)是(shì)本(běn)文要(yào)探(tàn)讨(tǎo)的(de)重(zhòng)点(diǎn)。

高(gāo)海(hǎi)拔(bá)宇(yǔ)宙(zhòu)线(xiàn)观(guān)测(cè)站(zhàn)工作示意图

（图片来源：中国科学院高能物理研究所）

来自宇宙深处的“粒子雨”是什么？

LHAASO是世界上海拔最高、规模最大、灵敏度最强的宇宙射线探测装置。那么，它需要探测的宇宙射线，也就是“粒子雨”，究竟是什么呢？

实际上，粒子是指高能原初宇宙线粒子。原初粒子在大气中产生广延大气簇射（EAS），最终会产生数目巨大的低能次级粒子。这些次极粒子以接近光速前进着，并且会在大气中横向扩散开来，就像落下一场瞬间的粒子“阵雨”一样到达地面。簇射中的粒子数可高达千亿，并且散布在数平方公里的面积上。具体而言，EAS中包含多种粒子，如电子、缪子(zi)、伽(jiā)马(mǎ)光(guāng)子(zi)及(jí)各(gè)种(zhǒng)强(qiáng)子(zi)，其(qí)中(zhōng)前(qián)三者占据了绝大部分。

那么，我们为什么一定要制造大科学装置捕捉宇宙线呢？这是因为宇宙线的发现把人们的视界扩展到了粒子层次的微观世界，并把无限小的微观世界与无限大的宇观世界自然地连接了起来。科学家们利用这样的探针，相继发展了宇宙线物理、伽玛射线天文、中微子天文、极高能宇宙线天文等分支学科，同时借以开展了反物质和暗物质的探测。

如何观测“粒子雨”？

根据探测环境和原理，宇宙线观测的手段主要有三种，即地面广延簇射阵列、大气切仑科夫成像望远镜和大气荧光望远镜。

地面广延簇射阵列通过铺设大面积的粒子探测器，测量簇射中的电子、伽马光子和缪子等次级粒子。它的优势是具有宽视场、有效曝光时间长且(qiě)探(tàn)测(cè)效(xiào)率(lǜ)高(gāo)。这(zhè)类(lèi)实(shí)验(yàn)代(dài)表(biǎo)性(xìng)的(de)有(yǒu)中(zhōng)意(yì)合(hé)作(zuò)的(de)ARGO（Yangbajing-ARGO Cosmic Ray Experiment）实(shí)验(yàn)和(hé)HAWC（The High-Altitude Water Cherenkov Observatory）实(shí)验(yàn)。

大(dà)气(qì)切(qiè)仑(lún)科(kē)夫(fu)成(chéng)像(xiàng)望(wàng)远(yuǎn)镜(jìng)利(lì)用(yòng)的(de)原(yuán)理(lǐ)是(shì)相(xiāng)对(duì)论(lùn)带(dài)电(diàn)次(cì)级(jí)粒(lì)子(zi)的(de)速(sù)度(dù)超(chāo)过(guò)空(kōng)气(qì)中(zhōng)光(guāng)的(de)速(sù)度(dù)时(shí)，会(huì)产(chǎn)生(shēng)切(qiè)仑(lún)科(kē)夫(fu)光(guāng)。这(zhè)类(lèi)型(xíng)的(de)探(tàn)测(cè)器(qì)具(jù)有(yǒu)较(jiào)好(hǎo)角(jiǎo)分(fēn)辨(biàn)和(hé)能(néng)量(liàng)分(fēn)辨(biàn)；代(dài)表(biǎo)性(xìng)的(de)实(shí)验(yàn)有(yǒu)HESS（High Energy Stereoscopic System）和(hé)MAGIC（Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescopes）实(shí)验(yàn)。而(ér)大(dà)气(qì)荧(yíng)光(guāng)望(wàng)远镜的工作原理是次级粒子电子会激发大气中的氮气，在退激过程中会发出各向同性的荧光。代表性的实验如HiRes（High Resolution Fly's Eye）和AUGER（The Pierre Auger Observatory）实验）。荧光产额很低，常用于极高能宇宙线(>1017eV)观测中。

其中，我国的LHAASO在这一领域独具优势——为了测量出不同的粒子，LHAASO准备了各种“容器”，即探测器，用来收集“雨滴”，最终利用这些“雨滴”的数量、到达时间和位置分布等参数的信息，精确地还原出原初宇宙线的能量、方向和粒子种类等信息。

**（1）1.3平方千米覆盖面积的电磁粒子探测器（ED）阵列和有效面积超过40000平方米的缪子探测器（MD）阵列。**前者是测量EAS中次级电磁粒子，而后者测量的是EAS中次级缪子，两者共同构成地面簇射粒子阵列（KM2A）；其中，大面积铺设的缪子探测器阵列更是100多年来宇宙线探测历史上最大的同类探测器阵列！就相当于给LHAASO安了一副“火眼金睛”，能(néng)把(bǎ)混(hùn)在(zài)1万个甚至10万个普通宇宙线事例中的伽马光子识别出来!

**（2）78000平方米的水切伦科夫探测器阵列（WCDA）。**测量簇射粒子（指的是其中的带电粒子）在水中产生(shēng)的(de)切(qiè)伦(lún)科夫光。具有高灵敏度，充分发挥其全天扫描的优势。

**（3）18台广角切伦科夫望远镜阵列（WFCTA）。**测量簇射粒子在大气中产生的切伦科夫光或荧光。虽然已经拥有水切伦科夫探测器（WCDA），但大气中的切伦科夫光或荧光测量仍然不可替代，原因在于其较好角分辨、能量分辨以及更高的能谱测量范围。

高(gāo)海(hǎi)拔(bá)宇(yǔ)宙(zhòu)线(xiàn)观(guān)测(cè)站(zhàn)示(shì)意(yì)图(tú)

（图片来源：中国科学院高能物理研究所）

LHAASO如何破解宇宙线之谜？

有了这四种探测器，LHAASO具备了多参数复合测量能力，下面我们具体看看是如何实现的。

LHAASO通过测量簇射缪子含量，能够实现对原初宇宙线中强子的甄别。在5×1013eV以上实现对伽马射线的零背景观测，同时精确测量该能段的能谱；在超高能端(3×1013eV-3×1016eV)直接冲击银河系宇宙线起源的重大物理目标——不但可以发现大批银河系内伽马射线源，更重要的是可以有效确认哪些伽马射线源是真正的宇宙线源，进而揭示宇宙线起源的奥秘。

在甚高能段(3×1010eV-3×1013eV)，WCDA实现对银河系外宇宙线源的巡天观测，并监测视场中的时变现象（如AGN的耀发），具有超强的探测高能伽马暴(bào)的(de)能(néng)力(lì)。

LHAASO创(chuàng)新(xīn)性(xìng)地(de)结(jié)合(hé)两(liǎng)种(zhǒng)关键测(cè)量(liàng)手(shǒu)段(duàn)，利(lì)用(yòng)缪(móu)子(zi)测(cè)量(liàng)信(xìn)息(xi)以(yǐ)及(jí)WFCTA对(duì)簇(cù)射(shè)极(jí)大(dà)的(de)测(cè)量(liàng)，实(shí)现(xiàn)对(duì)宇(yǔ)宙(zhòu)线(xiàn)分(fēn)成(chéng)份(fèn)能(néng)谱(pǔ)的(de)精(jīng)确(què)测(cè)量(liàng)，彻(chè)底(dǐ)改(gǎi)变(biàn)目(mù)前(qián)“膝(xī)”区(qū)(3×1015eV)宇(yǔ)宙(zhòu)线(xiàn)成份和能谱测量的混乱局面，为解释“膝”的成因提供多参数测量结果。

此外，18台宽视场切连科夫望远镜经重新组合可以工作于大气荧光模式，将观测能区向更高端拓展，从而覆盖1013-1018eV的宽广能量范围，其能量覆盖低端与空间实验直接测量实验衔接，获得绝对能标并将其传递到极高能宇宙线实验的能区，为解释宇宙线从银河系(xì)内(nèi)到(dào)银(yín)河(hé)系(xì)外(wài)起(qǐ)源(yuán)的(de)过(guò)渡(dù)提(tí)供(gōng)连(lián)续(xù)一(yī)致(zhì)的(de)实(shí)验(yàn)结(jié)果。

观(guān)测(cè)基(jī)地(de)全景(jǐng)

（图(tú)片(piàn)来(lái)源(yuán)：中(zhōng)国(guó)科(kē)学(xué)院(yuàn)高(gāo)能(néng)物(wù)理(lǐ)研(yán)究(jiū)所(suǒ)）

通(tōng)过(guò)上(shàng)述(shù)四(sì)种(zhǒng)探(tàn)测(cè)器(qì)的(de)密(mì)切(qiè)配(pèi)合(hé)，LHAASO实(shí)现(xiàn)了(le)对(duì)高(gāo)能(néng)伽(jiā)马(mǎ)射(shè)线(xiàn)的(de)宽(kuān)能(néng)谱(pǔ)的(de)精(jīng)确(què)测(cè)量(liàng)和(hé)宇(yǔ)宙(zhòu)线(xiàn)能(néng)谱(pǔ)、成(chéng)份(fèn)的(de)精(jīng)确(què)测(cè)量(liàng)。这(zhè)些为LHAASO的核心科(kē)学(xué)目(mù)标(biāo)——探(tàn)索(suǒ)高(gāo)能(néng)宇(yǔ)宙(zhòu)线(xiàn)起(qǐ)源(yuán)以(yǐ)及(jí)相(xiāng)关的(de)宇(yǔ)宙(zhòu)演(yǎn)化(huà)、高(gāo)能(néng)天(tiān)体(tǐ)演(yǎn)化(huà)和(hé)暗(àn)物质的研究，奠定了坚实的基础。

未来LHAASO将会在其重点的三个方向继续加强探索，发现更多的超高能伽马射线源和高能伽马射线暴，并在宇宙线“膝”区实现分成分的精确测量，为探索宇宙线起源之谜积累充分的判据。

————THE END