挑戰(zhàn)理論極限的探測靈敏度 “拉索”向天接射線
◎本報(bào)記者 陸成寬
飛機(jī)從四川成都天府機(jī)場出發(fā),一個(gè)多小時(shí)后,來到甘孜州稻城機(jī)場上空。此時(shí),從飛機(jī)舷窗俯瞰,一個(gè)巨大的“圓盤”鋪展在大地上。
這個(gè)“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(guī)模最大、靈敏度最強(qiáng)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(wù)是接住從外太空‘灑’向地球的宇宙射線,讓科學(xué)家借此發(fā)現(xiàn)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(xué)家、中科院高能物理所研究員曹臻介紹。
5月10日,經(jīng)過8年預(yù)研、4年建設(shè),“拉索”迎來關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),順利通過國家驗(yàn)收,正式投入運(yùn)行。驗(yàn)收委員會認(rèn)為,“拉索”的建成運(yùn)行,使之成為目前國際粒子天體物理三大實(shí)驗(yàn)設(shè)施之一,對促進(jìn)該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大原創(chuàng)突破、帶動前沿交叉相關(guān)學(xué)科發(fā)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(gè)水池構(gòu)成,其中兩個(gè)是邊長150米的正方形水池,一個(gè)是長300米、寬110米的長方形水池。三個(gè)水池的總面積達(dá)78000平方米,相當(dāng)于2.5個(gè)水立方。巨大的水池中,裝著35萬噸純凈水。
當(dāng)宇宙射線到達(dá)地球大氣層時(shí),會產(chǎn)生許多的次級粒子。這些粒子劃過水池里的純凈水時(shí),會發(fā)出非常微弱的藍(lán)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(xué)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(zhuǎn)化為電信號,從而對宇宙射線作出分析。”“拉索”水切倫科夫探測器陣列分總體負(fù)責(zé)人陳明君指著“玻璃泡泡”模型向記者介紹。
對陳明君團(tuán)隊(duì)來說,維持好純凈水的透明度成為一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。
“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(xiàng)目不會用這么多水?!标惷骶f,“為把水弄干凈,團(tuán)隊(duì)摸索了兩年。”
“我們反復(fù)試驗(yàn)了各種方案,不斷調(diào)節(jié)加氯濃度,有時(shí)候真的很絕望,好在同事們相互鼓勵(lì)。”最終,陳明君與團(tuán)隊(duì)通過調(diào)節(jié)加氯劑量和增加水循環(huán)流量的方式,成功解決了這一難題。
1188個(gè)土堆下的繆子探測器
登上“拉索”陣列觀景平臺,許多規(guī)則排列的土堆映入記者眼簾。這些土堆大約兩人多高,每個(gè)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(gè)土堆,每個(gè)土堆里都埋著一個(gè)精密的探測器——繆子探測器。
每個(gè)繆子探測器可以探測的面積是36平方米。1188個(gè)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(zhǔn)確地篩選出超高能伽馬光子。”“拉索”繆子探測器陣列分總體負(fù)責(zé)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(jīng)常維護(hù),這就要求它必須具有非常高的可靠性。
為了探測器“經(jīng)久耐用”,研究人員費(fèi)了不少心思,光預(yù)研就用了8年。
“我們首先在設(shè)計(jì)上作出合理規(guī)劃,把比較容易損壞的電源等設(shè)備放在土堆上頭,不容易損壞的設(shè)備,才會埋在土里?!毙傉驹谕炼雅哉f,“但只有設(shè)計(jì)是不夠的,埋在土里的設(shè)備雖然不容易壞,可一旦出現(xiàn)問題,修起來就很麻煩?!?/p>
為做好質(zhì)量把控,肖剛團(tuán)隊(duì)還采取了一系列技術(shù)手段。
“比如,裝超純水的水袋是我們探測器的關(guān)鍵組成部分,它的質(zhì)量要求非常高,必須保證絕對密封,不能進(jìn)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(gè)螺絲沒擰緊都可以知道?!毙傂χf,“這樣就保證了水袋的可靠性?!?/p>
挑戰(zhàn)理論極限的探測靈敏度
在研究團(tuán)隊(duì)的不斷努力下,“拉索”擁有了“千里眼”“順風(fēng)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(fā)現(xiàn)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(dá)大氣層時(shí)產(chǎn)生的次級電磁粒子。
“這個(gè)陣列一共由5216個(gè)探測器組成,從預(yù)研到設(shè)計(jì)、到安裝、再到調(diào)試,我們用了10多年。”曹臻說。
在曹臻看來,凝結(jié)著眾多科研人員心血的“拉索”,沒有辜負(fù)他們的辛苦與期待。
“拉索”在建設(shè)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(yùn)行時(shí),“拉索”就取得了多項(xiàng)突破性的重大科學(xué)成果:在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)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(xué)”時(shí)代;精確測定了標(biāo)準(zhǔn)燭光蟹狀星云的超高能段亮度,發(fā)現(xiàn)1千萬億電子伏伽馬輻射,挑戰(zhàn)理論極限。
截至目前,基于“拉索”項(xiàng)目發(fā)表的期刊論文累計(jì)約215篇,會議論文約156篇。
黨的二十大報(bào)告指出,加快實(shí)施一批具有戰(zhàn)略性全局性前瞻性的國家重大科技項(xiàng)目,增強(qiáng)自主創(chuàng)新能力。
展望正式運(yùn)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(chǔ)設(shè)施,‘拉索’未來必將產(chǎn)生更多高水平研究成果,助力科技自立自強(qiáng)跑出‘中國速度’!”
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