高海拔宇宙线观测站：
寻找宇宙线起源 破解世纪难题
光明日报记者 李晓东 周洪双
6月下旬，海拔4400多米的四川省稻城县海子山已进入雨季，山上的高海拔宇宙线观测站却正抓紧施工——观测站水切伦科夫二号水池已经进入了最后的设备安装阶段。
高海拔宇宙线观测站项目采用边建设边运行的模式，今年4月首批探测器投入科学观测以来，该观测站的观测能力已经达到世界先进水平。项目首席科学家曹臻说：“二号水池设备安装完成后，我们将看到更远的宇宙。”
顾名思义，高海拔宇宙线观测站是用来观测宇宙线的。“研究宇宙线及其起源是人类探索宇宙的重要途径。”曹臻说。
1912年奥地利物理学家赫斯乘气球升到5千米的高度，发现电离室的电流随高度增加而增加，并且确认白天和晚上的强度没有差别，显然不是由太阳照射引起的。由此得出结论：有来自宇宙空间的高能射线不断降落到地球，他将这种高能射线命名为宇宙线。
“当前宇宙线物理的核心问题是寻找宇宙线起源。”曹臻说，由于宇宙线中大部分都是带电粒子，在传播过程中会受到星际磁场影响而偏转，到达探测器时早已失去了原初的方向信息，从而无法根据所探测到的宇宙线到达方向来反推出源的方向。我们只能通过对极高能粒子、中微子或甚高能γ射线的测量来间接寻找宇宙线源。
宇宙线发现后的100多年间，国际上已经形成了位于南美、南极和欧洲的三大宇宙线研究中心，人类却始终没有发现宇宙线的起源。
瞄准宇宙线起源这一世纪难题，国家发改委2015年批准高海拔宇宙线观测站项目立项。作为国家重大科技基础设施建设项目，该项目在国务院发布的《国家重大科技基础设施建设中长期规划（2012-2030年）》中被列为16个优先安排的重大项目之一。“计划的实施，将使我国筹建中的高海拔宇宙线观测站成为世界上四大宇宙线研究基地之一，使我国在这一领域的研究跻身于国际领先地位，对当今最重要的科学前沿问题之一的宇宙线起源发起冲击。”曹臻说，该项目还将引进国际上最先进的γ射线和宇宙线探测技术，大幅提升我国的高能粒子天体物理研究水平，造就一支具有国际领先水平的粒子天体物理研究队伍，让我国成为名副其实的国际宇宙线观测研究中心。
高海拔宇宙线观测站主体工程于2017年6月启动，整体工程计划于2021年全部建成。经过两年的建设，观测阵列已经具有一定规模。今年4月首批投入科学观测的探测器包括由1800个探测器组成、灵敏面积达22500平方米的一号水切伦科夫探测器阵列，两台广角切伦科夫望远镜，180台电磁粒子探测器和80个缪子探测器。其中，水切伦科夫探测器阵列是观测阵列的主要科学设施，每天都能够对60%以上的天区进行一次扫描，不受日、月、星光及天气条件的影响，每年将探测到5万亿个宇宙线事例。已经投入观测的一号阵列，其巡天灵敏度比国际上最高灵敏度的同类装置高出30%，可以在多方面与国际同类实验展开合作研究。
该项目首批探测器投入科学观测倍受国内外专家关注。4月26日，高海拔宇宙线观测站科学观测启动暨天府宇宙线研究中心成立揭牌仪式在成都举行，来自中、美、日、德、法、意、俄、瑞士等国家的专家学者等近百人参加了仪式。4月27日，部分专家学者赴观测站现场考察，并对第一阶段的科学观测目标进行深入探讨。
5月26日下午，用于高海拔宇宙线观测站水切伦科夫探测器阵列的首批20英寸微通道板型光电倍增管通过检测，发往观测站安装现场。据介绍，因为新技术的发展成熟，共计将有2220个20英寸光电倍增管代替一号探测器方案的8英寸光电倍增管，布置在观测站的水切伦科夫探测器阵列的二号、三号探测器中。相比一号水池，此项应用将明显增强探测器的探测能力，大幅提升探测灵敏度。
当前，观测站正抓紧推进建设，每个星期交到曹臻手上的建设进度图文报告，都有重大进展。他说：“破解世纪难题，我们责无旁贷、我们分秒必争！”
《光明日报》（ 2019年07月04日 04版）
