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挑戰理論極限的探測靈敏度 “拉索”向天接射線

發布時間:2023-05-12 11:10:00來源: 科技日報

  ◎本報記者 陸成寬

  飛機從(cong) 四川成都天府機場出發,一個(ge) 多小時後,來到甘孜州稻城機場上空。此時,從(cong) 飛機舷窗俯瞰,一個(ge) 巨大的“圓盤”鋪展在大地上。

  這個(ge) “圓盤”就是高海拔宇宙線觀測站(LHAASO),也被大家叫作“拉索”。它是目前世界上海拔最高、規模最大、靈敏度最強的伽馬射線探測裝置,位於(yu) 四川省稻城縣海拔4410米的海子山上,占地麵積約1.36平方公裏。

  “‘拉索’的任務是接住從(cong) 外太空‘灑’向地球的宇宙射線,讓科學家借此發現宇宙深處的未知世界,破解宇宙射線起源的謎題。”“拉索”首席科學家、中科院高能物理所研究員曹臻介紹。

  5月10日,經過8年預研、4年建設,“拉索”迎來關(guan) 鍵節點,順利通過國家驗收,正式投入運行。驗收委員會(hui) 認為(wei) ,“拉索”的建成運行,使之成為(wei) 目前國際粒子天體(ti) 物理三大實驗設施之一,對促進該領域實現重大原創突破、帶動前沿交叉相關(guan) 學科發展和國際合作具有重要意義(yi) 。

  等待宇宙射線的35萬(wan) 噸純淨水

  從(cong) 空中向下看“拉索”的大圓盤,最醒目的是中央的“品”字形方塊,這就是水切倫(lun) 科夫探測器陣列。

  它主要用來探測甚高能伽馬光子,由三個(ge) 水池構成,其中兩(liang) 個(ge) 是邊長150米的正方形水池,一個(ge) 是長300米、寬110米的長方形水池。三個(ge) 水池的總麵積達78000平方米,相當於(yu) 2.5個(ge) 水立方。巨大的水池中,裝著35萬(wan) 噸純淨水。

  當宇宙射線到達地球大氣層時,會(hui) 產(chan) 生許多的次級粒子。這些粒子劃過水池裏的純淨水時,會(hui) 發出非常微弱的藍光,這就是切倫(lun) 科夫光。

  為(wei) 了“捕捉到”非常微弱的切倫(lun) 科夫光,科學家們(men) 在水池底部安裝了很多晶瑩剔透的“玻璃泡泡”。

  “這些‘玻璃泡泡’就是探測器單元。它們(men) 名叫光電倍增管,可以將微弱的切倫(lun) 科夫光信號轉化為(wei) 電信號,從(cong) 而對宇宙射線作出分析。”“拉索”水切倫(lun) 科夫探測器陣列分總體(ti) 負責人陳明君指著“玻璃泡泡”模型向記者介紹。

  對陳明君團隊來說,維持好純淨水的透明度成為(wei) 一項重大挑戰。

  “水注入到這麽(me) 大的水池裏麵,非常容易被汙染,一開始我們(men) 怎麽(me) 也搞不幹淨,這是最讓我們(men) 頭疼的問題。我們(men) 也沒有可以借鑒的對象,別的項目不會(hui) 用這麽(me) 多水。”陳明君說,“為(wei) 把水弄幹淨,團隊摸索了兩(liang) 年。”

  “我們(men) 反複試驗了各種方案,不斷調節加氯濃度,有時候真的很絕望,好在同事們(men) 相互鼓勵。”最終,陳明君與(yu) 團隊通過調節加氯劑量和增加水循環流量的方式,成功解決(jue) 了這一難題。

  1188個(ge) 土堆下的繆子探測器

  登上“拉索”陣列觀景平台,許多規則排列的土堆映入記者眼簾。這些土堆大約兩(liang) 人多高,每個(ge) 占地約36平方米,土堆之間間隔30米。

  曹臻介紹,“拉索”陣列共1188個(ge) 土堆,每個(ge) 土堆裏都埋著一個(ge) 精密的探測器——繆子探測器。

  每個(ge) 繆子探測器可以探測的麵積是36平方米。1188個(ge) 探測器,拚出了4萬(wan) 平方米左右的靈敏探測麵積。

  這是世界上最大的繆子探測器。“隻有探測麵積足夠大,我們(men) 才能準確地篩選出超高能伽馬光子。”“拉索”繆子探測器陣列分總體(ti) 負責人肖剛說。

  雖然大有大的好處,但是大也有大的難處。

  探測器的主要部分埋在2.5米深的土下,沒有辦法經常維護,這就要求它必須具有非常高的可靠性。

  為(wei) 了探測器“經久耐用”,研究人員費了不少心思,光預研就用了8年。

  “我們(men) 首先在設計上作出合理規劃,把比較容易損壞的電源等設備放在土堆上頭,不容易損壞的設備,才會(hui) 埋在土裏。”肖剛站在土堆旁說,“但隻有設計是不夠的,埋在土裏的設備雖然不容易壞,可一旦出現問題,修起來就很麻煩。”

  為(wei) 做好質量把控,肖剛團隊還采取了一係列技術手段。

  “比如,裝超純水的水袋是我們(men) 探測器的關(guan) 鍵組成部分,它的質量要求非常高,必須保證絕對密封,不能進入任何汙染物影響探測效率。”肖剛舉(ju) 例道,“為(wei) 此,我們(men) 專(zhuan) 門找了一種稀有氣體(ti) ——十氟化硫來檢測水袋的密閉性。”

  “這種稀有氣體(ti) 的檢測效率非常高,利用它檢測,哪個(ge) 螺絲(si) 沒擰緊都可以知道。”肖剛笑著說,“這樣就保證了水袋的可靠性。”

  挑戰理論極限的探測靈敏度

  在研究團隊的不斷努力下,“拉索”擁有了“千裏眼”“順風耳”。

  在這裏,探測器無處不在。

  置身“拉索”陣列,在土堆之間的空隙裏,記者還發現了不少綠色或白色的“小箱子”。這些“小箱子”長約1.5米、寬約1米,名叫電磁粒子探測器陣列,它們(men) 之間間距15米,呈品字形排列。

  電磁粒子探測器陣列,是“拉索”最大的探測器陣列,主要用來探測宇宙射線到達大氣層時產(chan) 生的次級電磁粒子。

  “這個(ge) 陣列一共由5216個(ge) 探測器組成,從(cong) 預研到設計、到安裝、再到調試,我們(men) 用了10多年。”曹臻說。

  在曹臻看來,凝結著眾(zhong) 多科研人員心血的“拉索”,沒有辜負他們(men) 的辛苦與(yu) 期待。

  “拉索”在建設期間就開展了觀測工作。憑借前所未有的探測靈敏度,在試運行時,“拉索”就取得了多項突破性的重大科學成果:在銀河係內(nei) 發現大量超高能宇宙加速器候選天體(ti) ,並記錄到人類觀測到的最高能量光子,開啟了“超高能伽馬天文學”時代;精確測定了標準燭光蟹狀星雲(yun) 的超高能段亮度,發現1千萬(wan) 億(yi) 電子伏伽馬輻射,挑戰理論極限。

  截至目前,基於(yu) “拉索”項目發表的期刊論文累計約215篇,會(hui) 議論文約156篇。

  黨(dang) 的二十大報告指出,加快實施一批具有戰略性全局性前瞻性的國家重大科技項目,增強自主創新能力。

  展望正式運行之後的工作前景,曹臻信心滿懷地說:“作為(wei) 國家重大科技基礎設施,‘拉索’未來必將產(chan) 生更多高水平研究成果,助力科技自立自強跑出‘中國速度’!”

(責編:陳濛濛)

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