要闻 前沿 天文 自然 生命 人文 健康 心理 人物 解惑 军事 探索
886803908198168589.jpg

人类,你真能抓到我吗

来源:中国青年报 2017-06-12     邱晨辉 王景烁

  

  进入地球大气层后的“宇宙线雨”示意图。中科院高能物理研究所供图

  地球上的人类:

  你们好!

  我叫宇宙线,大名宇宙射线,是来自外太空的一种高能粒子。也许你从未听说过我,也不知道我从哪里来,又要到哪里去。但我对你们却并不陌生,我无时无刻不在地球上游荡。

  不必讶异这一次我主动联系你们。

  地球上的人类喜欢仰望星空,窥探宇宙起源的奥秘,400多年前你们中有个叫伽利略的,将凸凹透镜往星空一指,让人类拿起了望远镜这把观测宇宙的利器。直到1912年你们发现了我,兴奋得就像抓住了探索宇宙的最后一根稻草,说我是除陨石以外,来自宇宙的唯一物质样本。还把我称作“银河陨石”,是传递宇宙大事件的“信使”。

  遗憾的是,100多年过去,你们仍没有搞清楚我究竟来自哪里,自然也无法推断出宇宙及其演化过程。在这场捉迷藏的游戏中,我的耐心几近耗尽。

  公元2017年6月上旬的一天,一声“轰鸣”吵醒了我,似乎是你们人类挖掘机的声音,而且不止一辆。我定睛一瞧,在东半球的中国四川省稻城县,这个被你们称作“最后香格里拉”的地方,拉起一张大网,一个名为“高海拔宇宙线观测站(LHAASO)”的装置即将全面开工。

  终于,你们又有大动作了!我有些欣慰,据说这个大装置一旦建成,将是世界上探测“最高能量伽马射线”的最灵敏探测器,说白了,就是最有可能“抓到”我的捕捉装置。

  鉴于这场新的捕捉游戏才刚刚开始,我准备和你们交换一下意见,这也是我写这封信的缘故。

  你们很聪明,知道在高海拔可以遇到更多的我,就把这台装置建在了海拔4410米的海子山。这天正赶上雨雪,加上荒芜的高原空气稀薄、寒风不定,你们中有人裹着大衣,还有人抱着便携式氧气瓶,一起来到这里,试着想象4年之后的大装置建成的样子。

  人群中有一个叫曹臻的,据说是这个大装置LHAASO的首席科学家、中科院高能物理研究所研究员。这天,站在稻城海子山的巨石中间,面对广阔的高原,曹臻变得更加豪情满怀:眼下这里虽然还是花岗岩漂砾和冰蚀岩盆的地盘,但高海拔宇宙线观测站一旦建成,将会对解开“宇宙线”起源之谜形成强有力的冲击!

  他在向我喊话!

  不是我吹牛,想“抓到”我,谈何容易。你们不是没有尝试过。

  一个多世纪以来,你们人类对我的“猎捕”手段可谓无所不用其极:“上天”,用粒子探测卫星在大气层外或大气层顶部试着直接找到我;“入地”,在世界屋脊青藏高原之上羊八井打下大型观测站;“下海”,在南极冰层下2400米深处安装巨型中微子望远镜。

  然而,我的身世依然是个“谜”,在你们人类物理学界列出的21世纪科学问题中,有关我的起源之谜排在第五位。和我有关的探索与研究已经产生了6枚诺贝尔奖牌——据说是你们人类评选的科学界最高荣誉。

  你们有一位科学家在这件事上看得比较明白,他叫何会海,是这个大装置项目的副经理、中科院高能物理研究所研究员。他就跟来访的记者说,探索“宇宙线起源”之所以很难,在于“宇宙线”能量越高,所代表的宇宙活动就越剧烈,但数量越稀少。

  换句话说,我们宇宙线的数量和能量成反比,粒子能量每上升10倍,粒子数量就会下降1000倍,所以我的同胞最终能到达地球的少之又少。

  有人打过一个比方,每过一分钟,才约有一个宇宙线穿过一枚硬币大小的面积,如此一来,人类对我们这些用肉眼看不见的“天外来客”自是浑然不觉。

  其实,还有个重要原因,我们宇宙线家族,通常都是带电的高能粒子,在飞行的过程中,不可避免地会被宇宙中无处不在的星际磁场“拽着走”,等到了你们地球,早已经失去了最初的方向信息,如此你们也就没法反推我们来自何方。

  换句话说,即便“抓到”了我们,我们也没法供出我们的“基地”在哪儿。

  好在,我的同胞中有一些另类的兄弟,一个是伽马射线,一个是中微子,他们俩在磁场中穿行不受磁场的“拖拽”偏转,可以指向“源”的方向。此外,一些极高能量的粒子,在宇宙磁场中的“拖拽”偏转微小到可以忽略不计,也可以用来探寻我们的起源地。

  也因此,在地面观测中,伽马射线、中微子、极高能粒子这三类同胞,成了你们的重点“抓捕”对象。按照曹臻的说法,目前你们人类科学家已经发现180多个“高能伽马射线源”,诸如超新星爆发、黑洞爆发、巨大星系之间的碰撞等,都可能是你们要找的“源”。不过,到底谁才是真正的“源”,还需要继续寻找证据。

  这也是为何你们不惜花费10多亿元人民币,来布下LHAASO这张大网的主要原因。

  ——你们把LHAASO建在高山之上,希望充分利用大气作为探测介质和在地面进行观测的手段,扩大探测器规模,提高灵敏度。据说,美国一个探测装置工作一段时间后,从海拔2700米移师4100米的高山站址,借此将灵敏度提高十几倍。

  ——你们把LHAASO建得足够大,甚至将建成世界上最大规模的同类装置,则是因为你们笃定“观测面积越大”,“抓到”我们的可能性也就越大。

  按照你们的设想,组成LHAASO大装置的四类灵敏度极高的探测器阵列——5195个电磁粒子探测器“小方块”, 1171个缪子探测器“大鼓包”,有两个半北京“水立方”那么大的“水池”水切伦科夫探测器,以及12台“千里眼”广角切伦科夫望远镜——将散布在稻城县海子山方圆1.36平方公里的范围内。

  届时,整个大装置如同在高原上拉起一张大网,形成对我最大范围的“捕捉”能力。

  那个叫何会海的科学家描述了一个“下雨”的场景:我们这些宇宙线粒子进入大气层后,会“击中”大气中的原子核,产生上百亿个次级粒子——就像一场粒子“阵雨”,瞬间降落在地面上,持续时间1纳秒左右。

  按照何会海的说法,你们人类就是要用不同类型的地面探测器收集这些“宇宙线雨”,分析我们的方向、时间差等,反推原初粒子的性质,开展相关物理研究。

  当然,用来“接雨水”的装置自然是越大越好。按照曹臻的说法,探测阵列只需布局到一定大小就可以开始观测,到2018年年底,仅建成四分之一的LHAASO已经是你们人类最大的同类宇宙线观测阵列。

  到2021年建成之时,这个LHAASO大装置还将占有“三个世界之最”:具有最高的高能伽马射线探测灵敏度、能开展最灵敏的甚高能伽马射线巡天探测、具有最宽广的宇宙线能量测量范围。曹臻还有一个基本判断,即这个大装置在“最高能区的最高灵敏度”的领先地位,未来一二十年内可能都不会有人超越。

  那时,也许你们人类可以联合起来,LHAASO加上现有的国际三大宇宙线研究中心——位于南美的3000平方公里的极高宇宙线AUGER实验,南极的立方公里中微子ICECUBE实验,欧洲的伽马天文定点观测CTA装置,一起合作对我实行“围追堵截”。

  当然,眼下这里还只是散落着数米宽巨石的旷野,以及流淌而过的清澈小河。我有些疑问,也有些期待:几年后,你们真的能在这里“抓到”我吗?

  着急等待中的宇宙线

  2017年6月(邱晨辉 王景烁)