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滨松中国为宇宙线探测项目--LHAASO提供可靠的光电技术支持

导读: 滨松中国十分荣幸能参与到LHAASO当中,通过滨松公司淬炼新型光电器件——MPPC(硅光电倍增管),以及滨松中国从商务到信息沟通等多方面的不懈努力,为我国又一伟大实验提供了可靠的光电技术支持。

浩瀚宇宙,地球存于其中可能还不及沧海一粟,更不要说人类了。虽渺小如斯,但我们却从未停止对宇宙的探索。

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浩渺星空,无垠宇宙

图源:chinabyte.com

美国国家研究委员会曾列出新世纪待解答的11个科学问题,宇宙的起源就是其中之一。为了获得答案,研究它的结构和演化是必要的。

不过宇宙大大也且算待我们不薄,为这遭求索遣了一位重要的助攻,这就是宇宙空间中最高能量的粒子,目前太阳系以外唯一的物质样本--宇宙线。

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宇宙线

图源:baike.com

一只飞升至5350米的气球

1912年一个蝉鸣夏日,29岁的奥地利物理学家维克多·赫斯(Victor Hess)又一次乘着气球起飞了,悬挂在气球之下的还有密闭的电离室装置。这已是他第7次进行这样的行动了,而这一切都是为了验证心中那个大胆的科学猜想。

当时世界盛行一种理论:地球上的矿物质会发出周期性辐射,而离地面越远,接收到的辐射就越小。不过,一些陆续的实验却得到了相反的结果,这动摇了好奇的赫斯。有没有可能产生这个电离效应的主要源于天上,而非地面?这样的想法驱使他从1911年便开始了高空气球实验。

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赫斯和他的气球

来源:ihep.cas.cn

5350米,这历次最高海拔的飞行果然带来了意义重大的信息:随着海拔升高,辐射强度虽一开始减小,但后又急速上升,达5000米则已9倍强于地面。

赫斯欣喜之极,接着他又进行了夜间的和全日食条件下的实验,获得的数据却排除了太阳为辐射源的可能性。他最终提出了一个惊动世人的观点:这些高能辐射可能是来自太空的贯穿辐射。

如此爆炸性的结论,引得争议的同时,也获得了极大的关注,更多关于它的理论推测和实验如火如荼地进行了起来。而越来越多的证据出现,也证明了多年前那个奥地利年轻人是对的。后来,美国物理学家罗伯特·密立根(Robert Millikan)将这一辐射正式命名为“宇宙线(cosmic ray)”,而赫斯也因这一伟大发现,获了1936年的诺贝尔物理学奖。

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诺贝尔奖得主维克多·赫斯纪念邮票

图源:997788.com

宇宙“信使”,你来自何处?

经过几代科学家的努力,宇宙线的真实面貌终于呈现在了我们面前。其主要成分是来自宇宙空间的高能带电粒子流,含量最高的是质子(87%),其次是从氦核到铁核等多种原子核,以及少量的光子、电子和中微子。

能够到达地球附近的初级宇宙线能量跨度从109eV至1020eV,约12个量级,强度跨越32个量级。不同的能量反映了不同的起源,而高于1017eV的则主要来自银河系外的宇宙空间。

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宇宙线具有跨十几个数量级的连续能谱

图源:kepu.net.cn

这便是一件会让科学家们兴奋连到汗毛都竖起的事情。因为如此看来,宇宙线就是真正的“天降之物”,是我们目前能获得的太阳系甚至是银河系以外的唯一宝贵物质样本,联系着宏观宇宙历史与微观粒子结构。多年以来,人们将宇宙线看作宇宙的“信使”,不遗余力的探究着,取得的成果也孕育出了多个诺贝尔奖,但有一个最基本的问题至今还尚未得到答案:它们到底从何而来?

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宇宙线的研究意义

图源:kepu.net.cn

宇宙线的起源和传播是高能天体物理学中一个重要问题。它是各种天体演化过程的产物,特别是各种高能天体物理过程的产物,携带着这些过程的丰富信息。探寻宇宙线起源,可以带领人类找到宇宙形成、天体演化的答案。

攀山越岭,只为探寻你的踪迹

上文说到了,宇宙线中大部分都是高能带电粒子,在传播过程中势必会受到宇宙中各式磁场的影响而发生偏转,可谓是一番旋转跳跃的“花式”散射。等能被我们探测时,这些小粒子早就丢了最初的方向信息,我们也没有办法反推它们源出何处了。

不过先不要急!可曾还记得宇宙线中尚有一些不起眼“小角色”?对了,就是那些极高能粒子、不带电的高能γ光子和中微子。它们在宇宙线中虽占比极小,但却不受磁场影响,可以完好地揣着源的方向信息,飞降到我们身边。

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相比难以收集到有极高能事例的极高能粒子(约1 km2 的面积经过百年才能收集到一个极高能事例),以及需要庞大探测介质的中微子,高能γ光子则容易得多。只要探测到宇宙线中的高能γ光子,且证明其产生于强子过程--简单来讲,就是通过分析和模型对比,证明所测到的γ光子不是电子起源,而可能是宇宙线起源--就很有可能间接追寻到宇宙线源。

目前来讲,主要有直接和间接两种探测方式:

直接探测主要针对1014eV以下的宇宙线,因通量大,面积较小的探测器就能完成任务,但为免去地球大气的影响,所以主要通过卫星、空间站和高空气球穿越大气去进行作业。但这样一来,探测能力也受到了设备大小的限制。

而间接探测主要针对的是1014eV以上的宇宙线,由于通量小,必须使用间接测量,分析原始宇宙射线与大气的作用来反推原始宇宙线的性质。

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,最终数目庞大的次级粒子(包含强子、电子、光子和μ等)广泛散播在数平方公里的面积上,此被称为广延大气簇射(Extensive Air Shower,简称EAS)。同时,簇射中还伴随着有契伦柯夫光和荧光的产生。

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图源:ASTRONOMY:ROEN KELLY

探测EAS的主要有三种方式:地面(及地下)阵列、大气契伦科夫望远镜、大气荧光望远镜。而在高山上则可实现对EAS的精确观测。一方面为了避免大气层对宇宙线的过度衰减;另一方面也为了避开城市光,减少城市光对大气契伦科夫/荧光望远镜工作的阻碍。

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图源:360doc.com

从上个世纪中开始,世界各国都陆续建立了高山观测站。如1943年前苏联建立的海拔3200m的阿拉嘎兹站、二战后日本建设的海拔2770m的乘鞍山观测所等。而不断出现的更好、更大型的高山实验室,也为人类追逐宇宙线的历史划出了一道明晰的印记。

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前苏联建立的阿拉嘎兹站

图源:kepu.net.cn

在中国,守望宇宙“信使”

新中国宇宙线研究的发展饱含了四代科技工作者的努力。我国宇宙线研究始于1951 年,是建国初最早建立起来的物理学研究课题之一。而我国的高山宇宙线实验站也在上世纪50年代就建立了--海拔3200m的云南落雪山实验室。

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图源:kepu.net.cn

但因文革等一系列历史因素,我国宇宙线研究而后历经一番艰苦。终于在改革开放后重开局面,于1990年建立了世界闻名的西藏羊八井宇宙线观测站(海拔4300m),中日合作ASγ实验、中意合作ARGO实验都相继在此展开。而两个大型国际合作科研项目显示出的巨大科学价值和物理潜能,也让中国跨入了世界宇宙线研究的第一梯队。

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西藏羊八井宇宙线观测站(左为ASγ实验,右为ARGO实验)

图源:ihep.cas.cn

虽然我国乃至世界范围内的宇宙线研究都取得了不少硕果,但始终未揭开宇宙线起源之谜。更多高能γ射线实验样本仍是科学家们梦寐以求的。如果将EAS理解为一场雨的话,那么这场雨持续的时间只在纳秒级,想要捕捉它的痕迹,一方面是要张大可以接住这些雨滴的“手”,让更特别和稀有的雨滴(能量更高的γ射线)都能被捕获;一方面则要将感知它的能力提升至更快。建设更大型、更灵敏的宇宙线探测实验势在必行。

在这样的背景下,我国大型高海拔空气簇射观测站(Large High Air Altitude Shower Observatory,LHAASO)便应运而生了。

LHASSO是我国“十二五”期间的国家重大科技基础设施项目,也是对宇宙线起源之谜发起的一次猛烈的冲击。它位于海拔4410m的四川稻城海子山,面积达1.36平方公里,总投资12亿人民币。其建成后将跻身世界四大宇宙线研究基地之一。

除了拥有前所未有规模以外,LHASSO将是首个寻找最高能量的γ射线,即千万亿电子伏特(1015eV)范围射线的观测站,这势必会带来全新的机遇。

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LHAASO示意图(上),稻城海子山(下)

图源:ihep.cas.cn & nature.com

分别针对三个能量范围的三个主要实验系统构成了LHAASO:

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LHAASO三大系统设置一览

图源:nature.com

地面簇射粒子阵列(KM2A)

KM2A是LHAASO占地最大的一个系统,由1km2电磁粒子探测器阵列和有效面积达42000m2的μ子探测器阵列组成。以探测EAS中的次级电磁粒子和μ子含量为目的。

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黄色方块为电磁粒子探测器(5195个),绿色凸起为μ子探测器(1171个)

图源:ihep.cas.cn

水契伦科夫探测器阵列(WCDA)

在KM2A“圆圈”的中心,有一排排整齐的房子,这就是WCDA。阵列的面积近80000m2,差不多有一个多北京水立方那么大,由3个相邻的4.4米深大型纯水池构成。位于墨西哥Picode Orizaba国家公园的高海拔地表水契伦科夫(HAWC)探测池,自2015年以来已发现了数十个伽玛射线源,而LHAASO的地表水阵列是其4倍,探测能力着实让人看好。

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图源:ihep.cas.cn

利用契伦科夫效应,来观测EAS中的次级粒子在水中产生的切伦科夫光,转换为电信号后进行测量,最终希冀通过各数据来重建原始伽玛射线。

广角契伦科夫望远镜阵列(WFCTA)

这数十台望远镜将负责直接探测高能宇宙线或高能γ射线通过簇射在大气中产生的切伦科夫光或荧光。它将借助望远镜独有的可移动特性、通过阶段性阵列布局调整,精确测量宇宙线分成份能谱。

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图源:ihep.cas.cn

而在关键的探测技术上,项目组做了新的选择。上万片新型半导体光电探测器--MPPC(硅光电倍增管)阵列,将组成这些望远镜的核心,发挥“眼睛”的作用,完成观测大任。

MPPC多被称为硅光电倍增管(Silicon Photomultiplier,SiPM/SSPM)可谓是当下光探测器届的新晋明星,根据其工作原理,也被称为多像素光子计数器(Multi-Pixel Photon Counter),即MPPC。其由多个工作在盖革模式下的APD组成,虽然本质上是一个光半导体,但具有优良的光子计数能力,适用于监测在光子计数水平下极弱光的场合。由于MPPC的老化效应较小,因此可有效地提高望远镜的观测时间,从而帮助增加观测到有效事件的概率。而这些MPPC阵列均由滨松公司提供,专为LHAASO项目的需求特殊定制。

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滨松各MPPC阵列产品(非项目组用)

LHAASO项目主任,中科院高能物理研究所的天体粒子物理学家曹臻曾介绍,每个阵列的四分之一将会在2018年安装完成,预计将在2019年获得首个结果,而整个观测站预计将于2021年1月完工。LHAASO项目的落实,也将带来三个世界之最:最高的高能伽马射线探测灵敏度;最灵敏的甚高能伽马射线巡天探测;最宽广的宇宙线能量测量范围。

克服高原恶劣环境、攻克实验难题、分析复杂数据、抗住国际竞争压力,这些都是高山宇宙线观测站科技工作者大部分的生活写照。无论云室、羊八井,还是未来的LHAASO,无不凝结着中国宇宙线研究者们的心血和对宇宙求知的朴质渴望。在雪域高原守望着宇宙“信使”,说起来也是十分浪漫,而这苍山之上一隅的观测站,大概也正是宇宙线研究者们的诗与远方。

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LHAASO科研、施工团队(部分)于站址合影

图源:toutiao.com

写在最后

滨松中国十分荣幸能参与到LHAASO当中,通过滨松公司淬炼新型光电器件--MPPC(硅光电倍增管),以及滨松中国从商务到信息沟通等多方面的不懈努力,为我国又一伟大实验提供了可靠的光电技术支持。曹臻老师曾在一次讲座中说道:“探索宇宙的起源与演化是人类智慧的永恒驱动力。”我们也将不懈努力,希冀为打开人类认知,揭示宇宙奥秘做出更多的贡献。

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