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      我國建設的世界最大高海拔宇宙線觀測站正式投運—“拉索”向天接射線

      科技日報  2023-05-16 09:20:02

      【走近大國重器】

      ◎本報記者 陸成寬


      (資料圖片)

      飛機從四川成都天府機場出發,一個多小時后,來到甘孜州稻城機場上空。此時,從飛機舷窗俯瞰,一個巨大的“圓盤”鋪展在大地上。

      這個“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,位于四川省稻城縣海拔4410米的海子山上,占地面積約1.36平方公里。

      “‘拉索’的任務是接住從外太空‘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?!薄袄鳌笔紫茖W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”迎來關鍵節點,順利通過國家驗收,正式投入運行。驗收委員會認為,“拉索”的建成運行,使之成為目前國際粒子天體物理三大實驗設施之一,對促進該領域實現重大原創突破、帶動前沿交叉相關學科發展和國際合作具有重要意義。

      等待宇宙射線的35萬噸純凈水

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

      它主要用來探測甚高能伽馬光子,由三個水池構成,其中兩個是邊長150米的正方形水池,一個是長300米、寬110米的長方形水池。三個水池的總面積達78000平方米,相當于2.5個水立方。巨大的水池中,裝著35萬噸純凈水。

      當宇宙射線到達地球大氣層時,會產生許多的次級粒子。這些粒子劃過水池里的純凈水時,會發出非常微弱的藍光,這就是切倫科夫光。

      為了“捕捉到”非常微弱的切倫科夫光,科學家們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。它們名叫光電倍增管,可以將微弱的切倫科夫光信號轉化為電信號,從而對宇宙射線作出分析?!薄袄鳌彼袀惪品蛱綔y器陣列分總體負責人陳明君指著“玻璃泡泡”模型向記者介紹。

      對陳明君團隊來說,維持好純凈水的透明度成為一項重大挑戰。

      “水注入到這么大的水池里面,非常容易被污染,一開始我們怎么也搞不干凈,這是最讓我們頭疼的問題。我們也沒有可以借鑒的對象,別的項目不會用這么多水?!标惷骶f,“為把水弄干凈,團隊摸索了兩年?!?/p>

      “我們反復試驗了各種方案,不斷調節加氯濃度,有時候真的很絕望,好在同事們相互鼓勵?!弊罱K,陳明君與團隊通過調節加氯劑量和增加水循環流量的方式,成功解決了這一難題。

      1188個土堆下的繆子探測器

      登上“拉索”陣列觀景平臺,許多規則排列的土堆映入記者眼簾。這些土堆大約兩人多高,每個占地約36平方米,土堆之間間隔30米。

      曹臻介紹,“拉索”陣列共1188個土堆,每個土堆里都埋著一個精密的探測器——繆子探測器。

      每個繆子探測器可以探測的面積是36平方米。1188個探測器,拼出了4萬平方米左右的靈敏探測面積。

      這是世界上最大的繆子探測器?!爸挥刑綔y面積足夠大,我們才能準確地篩選出超高能伽馬光子?!薄袄鳌笨娮犹綔y器陣列分總體負責人肖剛說。

      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,才會埋在土里?!毙傉驹谕炼雅哉f,“但只有設計是不夠的,埋在土里的設備雖然不容易壞,可一旦出現問題,修起來就很麻煩?!?/p>

      為做好質量把控,肖剛團隊還采取了一系列技術手段。

      “比如,裝超純水的水袋是我們探測器的關鍵組成部分,它的質量要求非常高,必須保證絕對密封,不能進入任何污染物影響探測效率?!毙偱e例道,“為此,我們專門找了一種稀有氣體——十氟化硫來檢測水袋的密閉性?!?/p>

      “這種稀有氣體的檢測效率非常高,利用它檢測,哪個螺絲沒擰緊都可以知道?!毙傂χf,“這樣就保證了水袋的可靠性?!?/p>

      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“千里眼”“順風耳”。

      在這里,探測器無處不在。

      置身“拉索”陣列,在土堆之間的空隙里,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生的次級電磁粒子。

      “這個陣列一共由5216個探測器組成,從預研到設計、到安裝、再到調試,我們用了10多年?!辈苷檎f。

      在曹臻看來,凝結著眾多科研人員心血的“拉索”,沒有辜負他們的辛苦與期待。

      “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:在銀河系內發現大量超高能宇宙加速器候選天體,并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云的超高能段亮度,發現1千萬億電子伏伽馬輻射,挑戰理論極限。

      截至目前,基于“拉索”項目發表的期刊論文累計約215篇,會議論文約156篇。

      黨的二十大報告指出,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。

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

      題圖4月21日拍攝的高海拔宇宙線觀測站(LHAASO)(無人機全景照片)。新華社記者 金立旺攝(陸成寬)

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