宇宙粒子加速之谜有待破解
本报讯（记者 熊筱伟）4月26日，在甘孜州稻城县荒凉的海子山上，对宇宙线的观测正式启动。当天下午，中国科学院高能物理研究所粒子天体物理中心副主任、高海拔宇宙线观测站首席科学家曹臻在蓉宣布，经过近2年建设，高海拔宇宙线观测站首批探测器投入科学观测。，宇宙粒子加速之谜有待破解。
为观测研究宇宙线成立的高海拔宇宙线观测站，其项目总投资约12亿元，是由电磁粒子探测器阵列、缪子探测器阵列、水切伦科夫探测器阵列、广角切伦科夫望远镜阵列等组成的巨大复合探测装置，是我国“十二五”期间立项建设的国家重大科技基础设施。
项目采用边建设边运行模式。此次投入观测的首批探测器包括由900个探测单元组成的、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。“简单说，它已经比目前世界上最灵敏的同类装置还要灵敏约30%，全部建成后更将高出数倍。”曹臻表示。
曹臻介绍，项目主体工程于2017年启动，计划2021年全部建成。建成后将是全球灵敏度最高、面积最大的同类宇宙线观测站，跻身世界四大宇宙线观测站之列。
同日，由中国科学院高能物理研究所成立的天府宇宙线研究中心亦在蓉揭牌。该研究所相关负责人介绍，作为全国最大的宇宙线研究机构，天府宇宙线研究中心选址成都天府新区，研究团队约100人，将利用高海拔宇宙线观测站的数据进行物理分析研究，同时对未来相关大科学装置的研发和更高科学目标做准备。
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宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子，人类获取太阳系外物质样本的唯一渠道，被科学家认为是传递“宇宙大事件”的信使和发现“宇宙加速器”的探针。人类研究它的历史已超百年，相关研究产生了6枚诺贝尔奖牌，但它的起源和加速机制等依然未能完全解释。美国国家科学技术委员会将其确定为“新世纪科学研究的11个世纪谜题”之一。
延伸阅读
我们为什么要研究宇宙线？
如果把困扰人类的科学难题拉一张长长的清单，宇宙线一定排在最前面。研究了上百年，无数顶尖科学家前赴后继，却依然没有最终答案，成为“新世纪科学研究的11个世纪谜题”之一。宇宙线究竟是啥？为何如此难解？
头顶“全球灵敏度最高的同类宇宙线观测站”“国家重大科技基础设施”等耀眼光环的高海拔宇宙线观测站，又有哪些过人之处？将发挥怎样的作用？记者就此采访了国内多位专家。□本报记者 熊筱伟
问题一:什么是宇宙线？它会对人体造成伤害吗？
●它是超新星爆发、黑洞爆发、巨大星系碰撞的产物，地球有大气层保护，所以不用担心对人体的影响
清华大学物理系天体物理中心教授崔伟介绍，宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子，以接近光速的速度在宇宙中运行，同时无时无刻不在从宇宙进入地球。
宇宙中为什么会有宇宙线？“超新星爆发、黑洞爆发、巨大星系碰撞等激烈的宇宙事件，都可能产生高能粒子也就是宇宙线。”四川大学物理科学与技术学院研究人员介绍，目前相关机制还没有完全弄清，但“简单来说，就像你撕一张纸，也会溅出一些微小到难以察觉的‘碎屑’。”
宇宙线会对人体造成伤害吗？中国科学院高能物理研究所粒子天体物理中心副主任、高海拔宇宙线观测站首席科学家曹臻介绍，由于地球有大气层的保护，所以并不用担心——高能粒子的能量在穿过大气层的过程中，大部分都被吸收了。
但科学家也提到一个有趣的思想实验：如果没有大气层会怎么样？“最高能量粒子打在人身上，就相当于费德勒这种顶尖网球手朝你脸上发球一样——那当然是非常疼的。”崔伟说，这还不是我们最担心的，毕竟最高能量粒子落到地球，每平方公里一百年也才有一个，“但低能量的粒子很多，持续打在人身上，人也会受不了。”
问题二：为什么要持续关注研究宇宙线？它会改变我们的生活吗？
●宇宙线里蕴藏着回答宇宙“终极命题”的线索，作为基础研究，更多是认知宇宙规律，并不会直接作用于生活
多位科学家提到，研究宇宙线，是为了解读它传递的关于宇宙的重要科学信息。
曹臻表示，宇宙线本身就是组成宇宙天体的物质成分。从宇宙起源、天体演化，到太阳活动及地球空间环境，宇宙线里都藏有回答这些宇宙“终极命题”的线索。
曹臻举的例子让人着迷——在《三体》等科幻作品中，常常提到一个概念“粒子对撞机”。它和与之相关的实验在现实中真实存在，是人类探索世界规律最前沿的科学实验之一。
用粒子对撞机，人类已经能够产生高能粒子。但科学家在观测宇宙线时惊讶地发现，宇宙线中的一些高能粒子，其能量远远超出人类所能达到的水平。“人类花300亿美元都做不出的效果，宇宙中却早就存在了。这么高的能量是怎么产生的？背后的加速原理是什么？这都超出了人类现有知识的边界。”
“通过观测，我们希望能得到问题答案，从而用这种加速机制来产生更高能量的高能粒子。”曹臻介绍，目前全球最大的粒子加速器，有着长达27公里的环形隧道，“可能未来加速到同样效果，只要一张桌子大小的面积就够了。”
“宇宙线研究属基础研究，更多是认知宇宙规律，研究成果并不会直接作用于生活。”崔伟表示。
问题三：高海拔宇宙线观测站有多厉害？它将承担怎样的功能？
●在主攻方向，高海拔宇宙线观测站的水平是全球第一，有可能顺藤摸瓜找到产生伽马射线的地方
观测宇宙线，挑战“世纪谜题”，显然不是易事。
首先，到达地球的宇宙线粒子少之又少；其次，有的粒子还被“污染了”。“不少宇宙线是带电粒子，在传播过程中就被宇宙中的磁场偏转了——也就是说它不是走直线，我们也就没有办法反推原初的方向信息，去推测它来自何方。”曹臻说。
问题虽难，但高海拔宇宙线观测站实力也不可小觑。此前，我国在念青唐古拉山脉脚下已建有羊八井国际宇宙线观测站。“新观测站灵敏度至少是羊八井国际宇宙线观测站的56倍。”
多位科学家表示，高海拔宇宙线观测站建成后，将和南极洲“冰立方”中微子观测站、南美洲极高能宇宙线观测站、欧洲伽马天文观测站一起，成为全球四大宇宙线观测站。“大家是互补关系。我们主攻伽马射线，看起来和欧洲伽马天文观测站类似，但他们偏低能，我们主要观测更高能的伽马射线。”曹臻表示，在主攻方向，高海拔宇宙线观测站的水平是全球第一。当日投入观测的首批探测器，就已比目前世界上最灵敏的同类装置的灵敏度高出了约30%，“全部建成后更将高出数倍”。
崔伟介绍，伽马射线因不带电所以不会被宇宙中的磁场扭曲，因此有可能顺藤摸瓜找到产生它们的地方。“当我们对此有更清晰的了解，就可能弄懂它的粒子加速机制。”
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