西藏羊八井宇宙线观测站与宇宙对话

西藏羊八井宇宙线观测站：怎样与宇宙对话

宇宙射线是来自宇宙深处的主要由各种原子核组成的高能粒子流。它们充斥整个宇宙，也时时刻刻飞临地球，幸而有大气层和地磁场的保护，使大量能量偏低的宇宙粒子被磁层阻挡、被大气吸收，从而使沐浴在宇宙线“枪林弹雨”中的人类及地球生物，免遭辐射损伤，得以生存繁衍，成就地球绿洲。那么，宇宙线的强能量对人类意味着什么？

位于西藏自治区羊八井地区的宇宙线观测站，近日被国家科技部授予国际科技合作基地称号，为此，记者特邀从事宇宙线研究的中科院高能物理研究所3位研究员谭有恒、卢红、胡红波，讲述人类与宇宙对话的故事。

宇宙线闯入地球村，其前缘与今世

寂静空旷的宇宙深处，时时刻刻都有人们看不见的宇宙线亦即高能粒子飞行，这是由于天体演化过程中不断地产生粒子流，这些粒子流有些来自超新星爆发，有些来自黑洞喷流，有些源自太阳爆发事件；它们一旦进入地球大气层即是敲碎原子核的利器。在其与大气层的原子核相碰撞的过程中，产生大量的高能次级粒子，继而引发连锁式的核反应、电磁级联和弱衰变，在大气中产生大量的新粒子驰向地面；其中的大多数被土壤吸收，还有的譬如μ子和中微子则可钻入地球深处，后者甚至穿透地球继续前行。

宇宙线联系着宏观宇宙历史与微观粒子结构，是天体的信使；它们还与日地空间及大气环境等有着密切联系，因而亦是显示空间与大气环境变化的晴雨表。因其高能量人类迄今尚无法模拟，由此全世界的物理学家一直高度关注宇宙线研究的新进展并期望在地球上捕获它们，进而了解其携带的与宇宙形成、天体演化相联系的宇宙线起源的奥秘，了解遥远星系的构成，了解更加微观的粒子结构，并藉其消长预报可能的空间天气灾害。

已有科技手段在大气顶部测得宇宙线的成分主要是带电粒子，如质子占87%、氦核占12%，其余为重核及电子、光子、中微子等，大约占1%。而其能量从可见光光子的百万倍一直连续到其1020倍。

目前宇宙线测量方式有两种，其一为直接探测: 由于宇宙线与地球大气相互作用, 直接地测量宇宙线便需在大气层外或大气层顶部进行，卫星、空间站和高空气球是常用的工具。直接探测能够比较准确地得到宇宙线信息, 包括成分、能谱等；然而送上天的设备不能太大，这便局限了人类的直接探测能力。其二为间接探测：宇宙线和大气发生相互作用产生次级粒子，次级粒子进一步产生三级粒子，并如此发展下去，科学家称之为广延大气簇射。广延大气簇射由法国物理学家奥格尔于1938年发现。西藏羊八井宇宙线观测站，即是利用广延大

气簇射探测宇宙线。

观测甚高能γ射线，逆推宇宙线起源

1912年，奥地利科学家V.F.赫斯进行一项测量空气电离度的高海拔实验。他利用气球将高压电离室带到5000米以上高空，竟意外地发现自地面700米处起，大气电离度随高度升高而增强，且早晚之间没有差别，这使人们相信这种现象与来自宇宙的某种未知射线有关，这种射线后来被称为宇宙射线。这是一个革命性的发现，赫斯因此荣获1936年度诺贝尔物理学奖。

而今，宇宙线发现已近百年，然而人类仍为诸多宇宙之谜而迷茫。早在1934年，巴德和兹威基首先猜想宇宙线由超新星产生。他们的理由是超新星正好提供了所需要的能量。后来，费米在1949年提出了宇宙线与磁云碰撞得到加速的二级费米加速理论，再后来人们又发展了广为大家所接受的激波加速理论。超新星爆炸提供强激波，可以将10%~30%的机械能用于加速粒子，这使得超新星在宇宙线研究中备受关注。由于存在着星系际的磁场，带电的宇宙线在传播中会偏转方向而失去源的方向信息，为此人们转而研究中性的高能粒子，如甚高能γ射线。迄今为止观测到的近70个甚高能γ源就主要由银河系内的超新星遗迹、微类星体、脉冲双星和银河以外的含有超大质量黑洞的活动星系核构成。

（下转今日本报A2版）此外，甚高能γ射线的观测还是寻找暗物质粒子的探针，是研究宇宙演化的一个手段。按照“宇宙大爆炸”理论和观测，人类感知到的常规物质的能量亦即已了解的部分宇宙能量，只占整个宇宙能量不足5％，其他95％的能量均不是由人们现在所知物质构成。由此科学界认为，21世纪科学发现的前沿，是“宇宙物理学”。2002年，美国国家研究委员会出版《联结夸克和宇宙：新世纪11个科学问题》一书，其中第一个问题即是什么是暗物质，第二个问题问什么是暗能量，第三个问题问宇宙如何起源，第四个问题问爱因斯坦给出了引力的最终理论吗？第六个问题问宇宙加速器是如何工作的？又加速什么？第十一个问题问在最高能量下，需要有新的光和物质的理论吗？而甚高能γ射线的观测可以为上述的几方面问题的回答做出重要贡献。

ASγ和希腊巨怪“值守”羊八井，对话宇宙

沿青藏公路铁路自拉萨西行90千米，有一片长约70千米、宽约10千米的平地在念青唐古拉山脚下展开，这就是中外闻名的羊八井。这里位于北纬30度11 分，东经90度53分，海拔4300米，是我国最大的地热能源基地，亦是北半球最高的一个宇宙线观测站所在地。在羊八井火车站附近，能远远地看到一个由800个“蜂箱”布成的阵列和一个蓝顶白墙达万平米的“厂房”。那些分布在4万平米土地上的“蜂箱”群，是一个有机组合的多点取样的闪烁探测器阵列，名叫ASγ，建成于1990年；那个大“厂房”里则是名叫ARGO 的国际上第一个地毯式广延大气簇射（EAS）探测阵列，它由1848个4.3平方米的高阻平板室（RPC）紧密排列而成，于2006年夏完成安装。它们在那里时刻准备迎接“天外使者”宇宙线的到来。

希腊神话中有一个叫做ARGO的巨怪，长有一二百只眼睛轮流视物从不休息，正好比喻上述全日制、全天候、宽视场的工作方式。

中日阵列已在国际上享有盛誉，是国际上观测到时间最长、质量最好的宇宙线月影及宇宙线太阳阴影的实验，此外还是在1013电子伏能区，首次（1996）观测到来自蟹状星云的γ射线发射的地面实验（蟹状星云是我国宋代天文学者观测到的超新星爆发留下的遗迹）。阈能的降低亦使人们的视界延伸到了银河系之外，有机会看到1997年活动星系核Mrk501的爆发式γ射线发射，并捕捉到2000年~2001年活动星系核Mrk421高态期间的3次γ射线大爆发。

一般认为，在荷电的宇宙线粒子的长程旅行中，星际磁场已把它们搅拌得基本各向同性了，但在这各向同性的背景上可能叠上因局部的磁场不均匀或宇宙线源在近处的存在而造成的局部、轻微的非各向同性，从而对非各向同性的精细测量可为空间磁场结构研究和宇宙线源寻找提供线索。羊八井ASγ阵列在1997年～2005年，在数1012电子伏至1014电子伏能区以1度～0.4度的方向精度积累了370亿个有效的广延大气簇射事例，对阵列有效视场（赤纬-10 度～+70度）内的天空作出了迄今国际上最精细的二维宇宙线强度的分布图。在高于3×1014电子伏能量的时候，实验发现宇宙线的强度在各个方向上都是一样的，这个结果的一个重要推论是：作为整体的宇宙线等离子体，在太阳系附近是和太阳系一样绕银河系中心旋转的，否则，在太阳运动的方向上会观测到宇宙线的“风”，也即宇宙线的增强。上面的结论还可推广到银河系的不同地方。

羊八井ARGO地毯式阵列于2006年夏建成投入试观测，就观测到活动星系核Mrk421在2006年七八月间的一次γ射线大爆发；最近，在检验阵列工作性能的过程中，又发现它对大厅屋顶钢粱结构有很好的宇宙线透视成像能力。

相关链接

宇宙线与粒子物理

早在19世纪末，人们就已认识到物质是由分子组成的，而分子是由原子组成的。自1911年英国物理学家卢瑟福根据放射性同位素产生的α粒子对金箔的散射实验结果提出原子结构模型后，人类对微观物质的研究便进入核物理时代。按照这个模型，原子是由原子核和围绕原子核在一定轨道上旋转的电子组成的。

宇宙线被发现后，人们找到了强大的天然粒子炮弹去撞开原子核，发现了正电子、μ子、π介子、K介子、超子等一批基本粒子，导致了粒子物理学和人工加速器的问世和加速器高能物理的产生。

位于法国和瑞士交界处的欧洲核子研究中心(CERN)，成立于1954年10月，是目前世界上最大的粒子物理研究中心。即将建成的大型强子对撞机（LHC）将是世界上最大的加速器，它可将粒子加速到接近光速，其最大能量可达7TeV（1012电子伏），并有望从中发现有关物质的质量起源的希格斯粒子存在的证据。然而与曾经观测到的最高能量的宇宙线粒子的能量相比，大型强子对撞机的能量仍然小了约1000万倍。

现在人们正试图了解在天体物理环境中，宇宙线粒子怎样被加速到很高能量的原理，以便得到启发寻找人工加速粒子的方法，进而产生更加微观的新粒子。

(羊八井宇宙线观测站及其实验得到科技部、国家自然基金委、中科院资金支持)