宇宙無限 信使有痕

宇宙線以及其起源是人類探索宇宙及其演化的重要途徑，自1912年宇宙線被發現以來，與之相關的探索與研究已經獲得了數枚諾貝爾獎牌，但人類始終沒有發現宇宙線的起源，成為困擾人類的「世紀之謎」，在21世紀重大科學問題中位列第五。

宇宙到底有多大、多少歲？

探索宇宙的起源與演化是人類智慧的永恆驅動力。「從夸克到宇宙」，人類正在所有的尺度上探索宇宙。而發現新現象，揭示新規律， 需要信息傳遞者。

宇宙線：打開天文學的新窗口、發現新現象

仰望星空…….最有效的天文觀測就是用光波。中國具有悠久的天文觀測和記錄歷史。現代天文學始於500年前，伽利略將望遠鏡指向星空。而宇宙線在現代天文學中扮演了重要角色。

宇宙線：極高能量前沿、未知加速機制

宇宙線是來自宇宙空間的高能粒子，成份主要是以質子為主的各類元素的原子核以及少量的電子和光子。

宇宙線就像「銀河隕石」，是獲取太陽系外物質樣本的唯一渠道。宇宙線各種成份與太陽系相同，是傳遞「宇宙大事件」的信使，是發現「宇宙加速器」的探針。

宇宙線無所不在！然而人類卻沒有找到它的起源，它的產生機制未得到證實！

宇宙線的能量可以很高，但能量越高則越稀少。比北京正負電子對撞機粒子能量高1000億倍的「宇宙加速器」在哪兒？加速原理是什麼？

宇宙線起源和加速的關鍵：確定源天體

伽馬射線源的探索成果豐碩，有望突破。

哪些天體可能是宇宙線的源？

太陽是確定的源，但不能產生能量太高的宇宙線。

超新星遺迹。圖為宋朝年間爆發的超新星。

蟹狀星雲。也是宋朝時期爆發的超新星，中國人有最詳細的天文記錄。

銀河系中心：巨大的黑洞，100萬倍太陽質量。

黑洞會吞噬周圍的恆星，同時噴射出高能量的粒子。

巨大星系中心的超大規模黑洞爆發。約4億光年遠處黑洞並非真正「黑」！每兩年一次的強烈爆發。

巨大星系之間的碰撞。

伽馬暴（幾秒鐘內釋放10^52爾格）

我國宇宙線研究的歷程和獨特優勢

我國科學家長期奮戰在4000米以上的雪域高原。以1956 年的雲南落雪山宇宙線站為起點，到1989 年羊八井國際宇宙線觀測站的建設及其1998年擴建的中意合作羊八井ARGO實驗，為中國宇宙線科學事業的發展夯實了基礎。

雲南落雪山站大雲室組中層磁雲室測到的一個電磁級聯簇射事例

羊八井國際宇宙線觀測站一期中日合作AS伽馬陣列

羊八井國際宇宙線觀測站中意合作ARGO實驗大廳

國家「十二五」期間優先支持的項目——高海拔宇宙線觀測站，在四川省各級政府的高度重視和支持下，最終塵埃落定於美麗純凈的甘孜州稻城縣海子山，平均海拔4410米。目前，項目正在緊鑼密鼓地推進中。

四川甘孜州稻城縣海子山，高海拔宇宙線觀測站前期工作施工場地

高海拔宇宙線觀測站效果圖

「高海拔宇宙線觀測站」建設方案

「高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）」項目正是瞄準宇宙線起源這一重大科學難題而提出的，是《國家重大科技基礎設施建設中長期規劃（2012-2030年）》在「十二五」期間優先支持的項目，由國家發改委於2015年12月31日批准立項。

LHAASO觀測站總佔地面積約2000畝，站區包括探測器陣列及綜合科技中心等附屬建築。

LHAASO探測陣列由3個部分組成，包括由電磁粒子探測器陣列和分布式繆子探測器陣列組成的約一平方公里複合地面陣列，用於伽馬射線源全天普查研究的水切倫科夫探測器陣列，用於宇宙線能譜高精度測量的廣角切倫科夫望遠鏡陣列。

各探測器陣列中的單元探測器通過閃爍體、水、大氣等轉換介質，將宇宙線原初粒子在空氣簇射中產生的次級帶電粒子在介質中沉積的能量轉化成光子，經光電倍增管接收放大後由後級電子學讀出並記錄。通過物理重建，落在LHAASO視場內的原初宇宙線事例的能量、時間、幾何、種類等信息被獲知，並用於科學分析。

地面簇射粒子陣列(KM2A)

功能：宇宙線起源及宇宙線物理

5195路電磁粒子探測器，每個1平米，間距15米。

1171路繆子探測器，直徑6.8米，間距30米。

覆蓋1平方公里。

水切倫科夫探測器陣列（ WCDA）

功能：甚高能伽馬射線巡天普查

8萬平方米伽馬源全天普查望遠鏡。

3000路探測單元，水深4.5米。

面積相當於2.5個水立方。

廣角切倫科夫望遠鏡陣列（ WFCTA）

功能：宇宙線能譜高精度測量， 確定宇宙線的原初成份

12 台寬視場切倫科夫成像望遠鏡，每台1024像素。

衝擊世紀難題：宇宙線起源

圖片來源：四川日報

高海拔宇宙線觀測站將與世界其他3個宇宙線觀測站（位於阿根廷的極高能宇宙線觀測站、位於南極的中微子天文觀測站、待建的甚高能伽馬天文觀測站）形成優勢互補,對宇宙線起源這一世紀之謎發起衝擊，探索高能宇宙線起源，並開展相關的高能輻射、天體演化以及暗物質分布等基礎科學的研究。核心科學目標為：

（1）精確測量超高能γ輻射能譜，探索高能宇宙線起源；精確測量宇宙線能譜和成分，研究宇宙線加速和傳播機制；

（2）開展全天掃描，大量發現新γ源，積累各種源的統計樣本，探索高能輻射機制；

（3）探尋暗物質、量子引力或洛侖茲不變性破壞等新物理現象，發現新規律。

開始，是工作最重要的部分

開始，是工作最重要的部分。向著宇宙深處的奧秘，我們已經行動！

從2008年開始，中科院高能所的科學家啟動了預先研究的相關工作。與此同時，科研人員在我國高海拔地區進行了廣泛選址和實地踏勘調研，最終於2014年選定四川省稻城縣海子山平均海拔為4410米的高地作為觀測站站址。

2014年8月，中國科學院與四川省人民政府簽署了LHAASO項目共建框架協議，標誌著代表國際宇宙線研究領域最前沿的科學基地正式落戶四川，成為我國重大科技基礎設施建設在西南地區的重大布局。

目前，國內20多個科研院校的百餘名科學家，義大利、法國、俄羅斯等國科學家參加了高海拔宇宙線觀測站國際合作組。

五年內，一個佔據三個世界第一的國際宇宙線研究中心將矗立於此。

–最高的高能伽馬射線探測靈敏度

–最靈敏的甚高能伽馬射線巡天探測

–最寬廣的宇宙線能量測量範圍

科學家們將對宇宙線起源這一世紀之謎發起衝擊，推動粒子物理學、天文學、宇宙學領域的相關科學研究取得突破性發展。

（本為作者曹臻為中國科學院高能物理研究所研究員、高海拔宇宙線觀測站項目首席科學家）

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