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    宇宙无限,信使有痕丨宇宙和宇宙线:21世纪重大科学问题中位列第五!

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      居里夫人

      宇宙线以及其起源是人类探索宇宙及其演化的重要途径,自1912年宇宙线被发现以来,与之相关的探索与研究已经获得了数枚诺贝尔奖牌,但人类始终没有发现宇宙线的起源,成为困扰人类的“世纪之谜”,在21世纪重大科学问题中位列第五。

      宇宙到底有多大、多少岁?

      探索宇宙的起源与演化是人类智慧的永恒驱动力。“从夸克到宇宙”,人类正在所有的尺度上探索宇宙。而发现新现象,揭示新规律, 需要信息传递者。

      宇宙无限,信使有痕丨宇宙和宇宙线:21世纪重大科学问题中位列第五!

      宇宙线:打开天文学的新窗口、发现新现象

      宇宙无限,信使有痕丨宇宙和宇宙线:21世纪重大科学问题中位列第五!

      仰望星空…….最有效的天文观测就是用光波。中国具有悠久的天文观测和记录历史。现代天文学始于500年前,伽利略将望远镜指向星空。而宇宙线在现代天文学中扮演了重要角色。

      宇宙线:极高能量前沿、未知加速机制

      宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子,成份主要是以质子为主的各类元素的原子核以及少量的电子和光子。

      宇宙线就像“银河陨石”,是获取太阳系外物质样本的唯一渠道。宇宙线各种成份与太阳系相同,是传递“宇宙大事件”的信使,是发现“宇宙加速器”的探针。

      宇宙线无所不在!然而人类却没有找到它的起源,它的产生机制未得到证实!

      宇宙线的能量可以很高,但能量越高则越稀少。比北京正负电子对撞机粒子能量高1000亿倍的“宇宙加速器”在哪儿?加速原理是什么?

      宇宙无限,信使有痕丨宇宙和宇宙线:21世纪重大科学问题中位列第五!

      宇宙线起源和加速的关键:确定源天体

      伽马射线源的探索成果丰硕,有望突破。

      宇宙无限,信使有痕丨宇宙和宇宙线:21世纪重大科学问题中位列第五!

      哪些天体可能是宇宙线的源?

      宇宙无限,信使有痕丨宇宙和宇宙线:21世纪重大科学问题中位列第五!

      太阳是确定的源,但不能产生能量太高的宇宙线。

      宇宙无限,信使有痕丨宇宙和宇宙线:21世纪重大科学问题中位列第五!

      超新星遗迹。图为宋朝年间爆发的超新星。

      宇宙无限,信使有痕丨宇宙和宇宙线:21世纪重大科学问题中位列第五!

      蟹状星云。也是宋朝时期爆发的超新星,中国人有最详细的天文记录。

      宇宙无限,信使有痕丨宇宙和宇宙线:21世纪重大科学问题中位列第五!

      银河系中心:巨大的黑洞,100万倍太阳质量。

      宇宙无限,信使有痕丨宇宙和宇宙线:21世纪重大科学问题中位列第五!

      黑洞会吞噬周围的恒星,同时喷射出高能量的粒子。

      宇宙无限,信使有痕丨宇宙和宇宙线:21世纪重大科学问题中位列第五!

      巨大星系中心的超大规模黑洞爆发。约4亿光年远处黑洞并非真正“黑”!每两年一次的强烈爆发。

      宇宙无限,信使有痕丨宇宙和宇宙线:21世纪重大科学问题中位列第五!

      巨大星系之间的碰撞。

      宇宙无限,信使有痕丨宇宙和宇宙线:21世纪重大科学问题中位列第五!

      伽马暴(几秒钟内释放10^52尔格)

      我国宇宙线研究的历程和独特优势

      我国科学家长期奋战在4000米以上的雪域高原。以1956 年的云南落雪山宇宙线站为起点,到1989 年羊八井国际宇宙线观测站的建设及其1998年扩建的中意合作羊八井ARGO实验,为中国宇宙线科学事业的发展夯实了基础。

      宇宙无限,信使有痕丨宇宙和宇宙线:21世纪重大科学问题中位列第五!

      云南落雪山站大云室组中层磁云室测到的一个电磁级联簇射事例

      宇宙无限,信使有痕丨宇宙和宇宙线:21世纪重大科学问题中位列第五!

      羊八井国际宇宙线观测站一期中日合作AS伽马阵列

      宇宙无限,信使有痕丨宇宙和宇宙线:21世纪重大科学问题中位列第五!

      羊八井国际宇宙线观测站中意合作ARGO实验大厅

      国家“十二五”期间优先支持的项目——高海拔宇宙线观测站,在四川省各级政府的高度重视和支持下,最终尘埃落定于美丽纯净的甘孜州稻城县海子山,平均海拔4410米。目前,项目正在紧锣密鼓地推进中。

      宇宙无限,信使有痕丨宇宙和宇宙线:21世纪重大科学问题中位列第五!

      四川甘孜州稻城县海子山,高海拔宇宙线观测站前期工作施工场地

      宇宙无限,信使有痕丨宇宙和宇宙线:21世纪重大科学问题中位列第五!

      高海拔宇宙线观测站效果图

      “高海拔宇宙线观测站”建设方案

      “高海拔宇宙线观测站(LHAASO)”项目正是瞄准宇宙线起源这一重大科学难题而提出的,是《国家重大科技基础设施建设中长期规划(2012-2030年)》在“十二五”期间优先支持的项目,由国家发改委于2015年12月31日批准立项。

      LHAASO观测站总占地面积约2000亩,站区包括探测器阵列及综合科技中心等附属建筑。

      LHAASO探测阵列由3个部分组成,包括由电磁粒子探测器阵列和分布式缪子探测器阵列组成的约一平方公里复合地面阵列,用于伽马射线源全天普查研究的水切伦科夫探测器阵列,用于宇宙线能谱高精度测量的广角切伦科夫望远镜阵列。

      各探测器阵列中的单元探测器通过闪烁体、水、大气等转换介质,将宇宙线原初粒子在空气簇射中产生的次级带电粒子在介质中沉积的能量转化成光子,经光电倍增管接收放大后由后级电子学读出并记录。通过物理重建,落在LHAASO视场内的原初宇宙线事例的能量、时间、几何、种类等信息被获知,并用于科学分析。

      地面簇射粒子阵列(KM2A)

      宇宙无限,信使有痕丨宇宙和宇宙线:21世纪重大科学问题中位列第五!

      功能:宇宙线起源及宇宙线物理

      5195路电磁粒子探测器,每个1平米,间距15米。

      1171路缪子探测器,直径6.8米,间距30米。

      覆盖1平方公里。

      水切伦科夫探测器阵列( WCDA)

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      功能:甚高能伽马射线巡天普查

      8万平方米伽马源全天普查望远镜。

      3000路探测单元,水深4.5米。

      面积相当于2.5个水立方。

      广角切伦科夫望远镜阵列( WFCTA)

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      功能:宇宙线能谱高精度测量, 确定宇宙线的原初成份

      12 台宽视场切伦科夫成像望远镜,每台1024像素。

      冲击世纪难题:宇宙线起源

      宇宙无限,信使有痕丨宇宙和宇宙线:21世纪重大科学问题中位列第五!

      图片来源:四川日报

      高海拔宇宙线观测站将与世界其他3个宇宙线观测站(位于阿根廷的极高能宇宙线观测站、位于南极的中微子天文观测站、待建的甚高能伽马天文观测站)形成优势互补,对宇宙线起源这一世纪之谜发起冲击,探索高能宇宙线起源,并开展相关的高能辐射、天体演化以及暗物质分布等基础科学的研究。核心科学目标为:

      (1)精确测量超高能γ辐射能谱,探索高能宇宙线起源;精确测量宇宙线能谱和成分,研究宇宙线加速和传播机制;

      (2)开展全天扫描,大量发现新γ源,积累各种源的统计样本,探索高能辐射机制;

      (3)探寻暗物质、量子引力或洛仑兹不变性破坏等新物理现象,发现新规律。

      开始,是工作最重要的部分

      开始,是工作最重要的部分。向着宇宙深处的奥秘,我们已经行动!

      从2008年开始,中科院高能所的科学家启动了预先研究的相关工作。与此同时,科研人员在我国高海拔地区进行了广泛选址和实地踏勘调研,最终于2014年选定四川省稻城县海子山平均海拔为4410米的高地作为观测站站址。

      2014年8月,中国科学院与四川省人民政府签署了LHAASO项目共建框架协议,标志着代表国际宇宙线研究领域最前沿的科学基地正式落户四川,成为我国重大科技基础设施建设在西南地区的重大布局。

      目前,国内20多个科研院校的百余名科学家,意大利、法国、俄罗斯等国科学家参加了高海拔宇宙线观测站国际合作组。

      宇宙无限,信使有痕丨宇宙和宇宙线:21世纪重大科学问题中位列第五!

      宇宙无限,信使有痕丨宇宙和宇宙线:21世纪重大科学问题中位列第五!

      五年内,一个占据三个世界第一的国际宇宙线研究中心将矗立于此。

      –最高的高能伽马射线探测灵敏度

      –最灵敏的甚高能伽马射线巡天探测

      –最宽广的宇宙线能量测量范围

      科学家们将对宇宙线起源这一世纪之谜发起冲击,推动粒子物理学、天文学、宇宙学领域的相关科学研究取得突破性发展。

      宇宙无限,信使有痕丨宇宙和宇宙线:21世纪重大科学问题中位列第五!

      作者: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项目首席科学家)

      来源:中国科学院高能物理研究所

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