2020-02-13 18:08

在美丽的稻城,我们建了一个漂亮的“天阵”,它的名字叫拉索

本文来自微信公众号:SELF格致论道讲坛(ID:SELFtalks),演讲者:曹臻(中国科学院高能物理研究所研究员)


“高海拔宇宙线观测站,实际上是一个1.3平方千米的天阵,这个天阵所在地原来是非常原始的无人区。为什么要去那么高的地方建观测站呢?”


以下内容为演讲实录:


大家好,我是高能物理研究所的曹臻,今天我想跟大家分享一下在我们已知的世界和未知世界的边界上,科学的前沿研究到底是怎么开展的。


我用实验、粒子、天体、物理来概括这次演讲。这4个词放在一起看比较复杂,我希望通过这次演讲让大家了解到,科学研究其实并没有那么复杂。


建在稻城的“天阵”


举个例子,高海拔宇宙线观测站,实际上是一个1.3平方千米的天阵,这个天阵所在地原来是非常原始的无人区。为什么要去那么高的地方建观测站呢?观测站位于海拔4410米的美丽的稻城,



这里地处青藏高原的边缘地带。稻城的海拔高度适合做科学研究而且靠近世界屋脊的边缘地带,离文明发达地区更近,更容易做这件事。



现在大家知道了,稻城不仅有美丽的亚丁风景区,还有探索宇宙奥秘的LHAASO的阵列。我们在这里建设这个阵列就是为了迎接携带着宇宙秘密的信使。



这张图是英国的《自然》杂志记者采访我之后,回去自己画的一张图,我感觉很神奇,他居然能理解得这么准确,把我们的阵列描述得非常清晰。


英国《自然》杂志记者眼中的LHAASO为了迎接携带宇宙秘密的“信使”


这个阵列有4种主要的探测器,研究者把它摆成各种各样形状的阵列,等待宇宙线从天上来到地球。


实际上,阵列准备迎接的是一场“雨”,这场雨不是水滴,而是粒子,而且这场雨持续的时间非常短,只有几纳秒。我们将探测器排列起来,就是为了迎接它们的到来。



这张图就显示了我刚才说的这个过程,当这场“雨”落在阵列上的时候,被粒子击中一个一个的探测器就“着火”了,一“着火”就记录下时间,每一个探测器的距离是已知的,我们就可以通过它反推出宇宙线的粒子到达的方向。


如果宇宙线粒子能反推出来找到一个源的话,就能指引科学家找到想观测的那个天体了。


阵列中的4个探测器分别是:电磁粒子探测器、谬子探测器、水切伦科夫探测器、广角切伦科夫望远镜阵列。


下面是目前阵列的建设情况,可以看到已经形成一个比较清晰的阵列了。这个阵列的大小仅为整个阵列的1/4,中间比较亮的金属房顶下有一个非常大的水池,这个水池的面积为300米×300米,水深5米,以水作为探测介质。


一平方公里阵列:1/4将投入运行


下面这几张图显示一个由30多个探测器组成的阵列,及其测到的宇宙线结果。



利用这个阵列,我们在半年多的时间内已经收到超过1亿个宇宙线粒子,观测和测量的结果非常好,完全实现了当初设计的一些目标。整个1/4的阵列,大概在这个月月底就应该可以进入到观测的状态。


这中间的大水池一共由三个部分组成,其中一个是150米×150米的大型探测装置,该装置已经进入了科学运行。其实,在安装的过程中,宇宙线粒子就已经可以被探测到了。


“大水池”:水切伦科夫探测器阵列(WCDA)共3个水池,第1个已完成,2019年4月26日投入运行


当它装好后不久,我们就测量到一个漂亮的“事例”,这个“事例”正好是这段时间内测量到的一个最大的“事例”。


情人节事例


特别有意思的是,这次测量恰好在2月14日,所以我们就把这个事例命名为“情人节事例”。


左边这个图是“情人节事例”探测器在它灌水之前的状况。看上去有点凌乱,但实际上最主要的装置是中间这个亮亮的光电倍增管。


WCDA一号水池面积22500m2拥有世界第一大的水切伦科夫光探测器阵列


当5米深的水灌好之后,再要进行维护,就必须要划船进去了。


WCDA一号水池灌水后


未来,这两个大的探测器将使用一个更加先进的大型的光电倍增管。


世界上最大、最先进的微通道板型光电倍增管


20”PMT vs. 8”PMT


这个光电倍增管比现在放的1号水池里的管子要大得多,是我们国家去年研制才成功的一个具有自主知识产权非常先进的探测装置。


我们这里还有几台望远镜。


大视场“硅光电倍增管”相机

采用先进的硅光电倍增管(SiPM)代替传统PMT,有效工作时间从10%提高到30%。


望远镜是用来探测宇宙线在大气中发展过程的一个记录装置。目前我们已经安置了6台拥有先进技术的望远镜,布置在大水池的旁边,可以在晴朗的夜间进行观测,不受月亮的影响。



这些望远镜用到一个非常高级的技术——硅光电管,现在我们用到的硅光电管的总面积在高能物理界是世界上最大的。


今年4月26日,我们1/4的阵列基本上建成了。当时我们在成都举办了一个发布会,也是探索装置启动的一个启动会,吸引了国际上大量科学媒体的关注,像《自然》《科学》,还有英国的《物理世界》杂志,国内的新闻媒体更加关注这件事。



探索装置启动后,就测量到非常漂亮的事例,下图右边的是用水池观测到的一个事例,左边是两个望远镜对这个事例同时进行的观测,这表明两种探测器都已经进入到一个正常的运行状态



建设宇宙线观测站的意义


在这里建站的目的是什么?为什么要跑到很远的地方做这件事?从历史上看这个探测器到底占据了什么样的地位?


实际上为了做这件事,我们从20世纪50年代初期,长我两辈的科学家张文裕和王淦昌就领导大家开始了我国的宇宙线探索。


“八五”期间,科学家到羊八井找到了一块平坦开阔的地方,我们跟日本人和意大利人合作,又做了两个探测装置,2013年我们停止了一个装置的运行。


从那时起,我们就进入到下一个阶段。这个阶段处于“十二五”期间,科学家们找到一个更好的地方,在四川的稻城建设一个更大的探测器。


与国际上的同类探测器比较,我们的LHAASO有什么特点呢?美国有一个类似的探测器,也是摆成阵列形式的探测器,设置在海拔4100米的地方,位于墨西哥最高的火山脚下。


这个探测器相当于我们一个水池的大小,明年年底我们的探测器完全建好之后,将是它的4倍。



中间的水切伦科夫探测器,我们原来历史上在羊八井也做过一个类似的东西,就是ARGO-YBJ实验,这个实验的面积只相当于这么大一个面积,我们也做出了很重要的发现,可见这个探测器将来会对这个领域产生非常大的影响。后面我会提到它在国际上的地位。



这个实验不是我一个人在做,而是一个团队在做。我国大概有25家单位已经参与到这个研究工作中,在北京、南京、上海以至于西南地区都有研究所和大学参与到这个研究中。


瑞士、法国、泰国、俄罗斯等国家的四、五个单位也加入到我们的研究课题。


一大群人跑到一个非常偏远的地方,做一件非常艰难的事。比如,去年,安装1号水池的工作时间大概3个多月,几乎天天都是在零下4℃的环境下工作。


为什么这么艰苦,还有这么多人要去干这件事呢?



实际上我们都是在追求一个宇宙线的核心问题的解决:我们从100多年前就知道了有宇宙线存在,但迄今为止我们仍然不知道宇宙线来自什么地方。


宇宙线还有一个非常重要的特点,就是它的能量非常非常高,高到什么程度?远高于现在人工能加速出来的粒子的能量。


目前能量最高的粒子是由瑞士和法国边界上CERN的加速器LHC加速出来的,这个加速器曾经证实了“上帝粒子”的存在,而宇宙线的能量要比它高出几千万倍。


为什么宇宙里有这样的加速器?为什么它们能加速这么高能量的粒子,是怎么加速的?


这个领域主要是由中微子探测技术、高能量的宇宙线探测技术以及伽马射线天文组成,形成了三足鼎立之势,四个大实验则支撑起了这个领域。


伽马射线天文领域的观测探测器有两个,其中一个是我们的LHAASO,另外一个是欧洲的CTA,这个实验的主体到现在还没有正式开始建设。



我们该如何探索宇宙线呢?实际上,就是找到一些天体,看它是不是有能力产生极高能量的粒子。


首先,我们要瞄准一些活动非常剧烈的天体。大家知道,太阳肯定是产生了大量的粒子。



太阳能产生很多很多低能量的宇宙线粒子,但这些粒子的能量只相当于我们北京的正负电子对撞机产生出来能量。这个能量等级对我们来说已经不是很稀奇,我们的关注点在能量更高得多的粒子


当比太阳大很多倍的恒星烧完它的氢燃料之后就会爆炸,当质量大到一定程度的时候就会发生超新星爆发。


在1006年发生了超新星爆发,形成了非常强烈的喷柱的抛射现象,这很可能就是我们找到加速粒子的地方。



其实,我们也亲历一次超新星爆发。1987年,在银河系边上名为大麦哲伦星云的地方,发生了一次超新星爆发。


在银河系中,超新星的爆发大概是100年才有一次,所以我们是非常有幸地亲历了这次超新星的爆发。



今天再看这个超新星的时候,它已经形成一个非常漂亮的圆圈了,就是这个喷射物已经喷射出来了。


宋朝的时候,人们也记录了一个非常亮的超新星。那次超新星爆发是在银河系里发生的,现在已经发展成一片星云,叫蟹状星云。



我们银河系的中心有非常巨大的黑洞,这个黑洞的质量可以达到太阳质量的300万~400万倍,这样的黑洞会不断吸积物质,同时也会喷射物质,喷射出的物质也可能造成粒子加速的过程。


还有没有更大的黑洞呢?有很多,在宇宙里,比银河系中心的黑洞大100倍的黑洞仍然存在。我们在羊八井的观测站里已经很清楚地看到这样的现象。



它在不断吞噬恒星物质过程中也会喷射出物质,如果突然吞进去太多的物质,喷射出来的物质也很强烈,这时候就会形成一个一个爆发现象,这些爆发现象也给我们提供了一个研究宇宙线起源的机会。


比黑洞规模更大的活动,就是两个星系碰撞在一起。最近大家看新闻可能会了解到,仙女座星系跟我们银河系正处在相互接近、靠拢的过程。



上图就是在哈勃望远镜拍到其他的两个星系碰到一起之后,形成的碰撞的区域。右边这张图是碰撞区域里,物质交换非常强烈的一个区域,此处恒星的死亡和恒星的产生速度都非常快,我们叫恒星形成区。这些区域里有可能产生强烈的磁场和电场,有可能产生能量更高的粒子。



最近,引力波已经被探测到。当两个黑洞撞在一起的时候会产生强烈的引力波。


如果是两个中子星碰撞的话,这个碰撞过程就会产生一个非常强烈的现象——伽马暴,就会喷射出非常强烈的伽马物质。



伽马暴是单个的爆发过程,这是我们目前所知道的能量释放最快、最大的一种现象。   


宇宙线的秘密


宇宙线给我们带来的秘密到底是什么呢?首先,我们想知道:它是从哪里产生的。


通过寻找这些可能的源,找到足够的证据,我们就能确定它的来源。最好的结果是,我们能找到一把“冒烟的枪”(它刚刚打中了一个人,还在冒着烟)就找到了最坚实的证据,从而推测宇宙线的起源。



但是,仅仅找到宇宙线的起源并没有解决最根本的问题,根本的问题还是它为什么会产生这么高的能量?


这里给了两个英文词汇,Pevatron、Eevatron,Pevatron的意思就是,是1015电子伏特Eevatron是比Pevatron高1000倍的加速器。我们虽然没有找到这样的加速器,但我们观测到了被它们加速出来的粒子到达地球上。


举例来说,刚才提到的蟹状星云,我们现在看到的星云是它爆炸抛出来的物质,爆炸后留下来的物质就形成了一个脉冲星。这个脉冲星的大小也就20千米左右,不但发出强烈的辐射,还在飞快地旋转,它在旋转过程中发辐射扫过我们地球时就产生了脉冲信号。



人类现在能加速到最高能量的加速器就是位于瑞士和法国边境的CERN,照片上远处就是漂亮的日内瓦湖,这个加速器的周长为27千米,它现在能加速到的能量就是我们讲的Teratron(1012电子伏特加速器),就是可以将粒子加速到Tera电子伏特。


这个脉冲星的周长大概也是20千米左右,跟人类的加速器差不多。


在西班牙,科学家通过一个名为MAGIC的实验,用望远镜对这个现象进行观测之后,现在已经有足够的证据证明,这个脉冲星上也能够发出Tera电子伏特的粒子来,而且现在还不断有证据表明我们可能还会探测到更高能量的粒子。


也就是说,太空中的一个自然的加速器,可能要比人类能造出的加速器产生的能量高得多。



我跟大家分享宇宙的科学前沿探索过程,实际上也从一个侧面告诉大家,人类目前的知识还是非常有限的,还有很多未知的东西需要去探索。广袤的宇宙包含了无穷的奥秘,我们永远都在探索奥秘的征途之上。


本文来自微信公众号:SELF格致论道讲坛(ID:SELFtalks),演讲者:曹臻(中国科学院高能物理研究所研究员)

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