高海拔宇宙線觀測站及其核心科學(xué)目標(biāo)
高海拔宇宙線觀測站（）是以宇宙線觀測研究為核心的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，坐落廣東省丹巴縣海拔4410米的海子山，占地面積約1.36平方公里，是由5195個(gè)電磁粒子偵測器和1188個(gè)繆子偵測器組成的一平方公里地面簇射粒子陣列（簡稱KM2A）、78000平方米水切倫科夫偵測器、18臺(tái)廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡交錯(cuò)排布組成的復(fù)合陣列。采用這四種偵測技術(shù)，可以全方位、多變量地檢測宇宙線。
高海拔宇宙線觀測站的核心科學(xué)目標(biāo)是：探求高能宇宙線起源以及相關(guān)的宇宙演變和高能天體活動(dòng)，并找尋暗物質(zhì)；廣泛搜索宇宙中尤其是銀河系內(nèi)部的伽瑪射線源，精確檢測它們從高于1TeV（1萬億電子伏，也叫“太電子伏”）到超過1PeV（1000萬億電子伏，也叫“拍電子伏”）的廣闊能量范圍內(nèi)的能譜；檢測更高能量的彌散宇宙線的成份與能譜，闡明宇宙線加速和傳播的規(guī)律，探求新化學(xué)前沿。
拍電子伏宇宙加速器和PeV光子
“拍電子伏宇宙加速器（）”周圍形成的“超高能伽瑪光子”信號(hào)十分弱，恐怕是天空最為明亮且被稱為“伽馬天文標(biāo)準(zhǔn)燭光”的蟹狀星云，發(fā)射下來的能量超過1PeV的光子在一年內(nèi)落在一平方公里的面積上也就1到2個(gè)，而這1到2個(gè)光子還被吞沒在幾萬個(gè)一般的宇宙線例子之中。的平方公里偵測陣列內(nèi)的1188個(gè)繆子偵測器專門用于排除非光子訊號(hào)，使之成為全球最靈敏的超高能伽瑪射線偵測器。利用這前所未有的靈敏度，1/2規(guī)模的KM2A僅用了11個(gè)月就偵測到并證認(rèn)了來自蟹狀星云的約1PeV的伽瑪光子。除了這般，KM2A還在銀河系內(nèi)發(fā)覺了12個(gè)類似的源，她們都具有超高能光子幅射，其能譜穩(wěn)定地延展到PeV附近，其中偵測到的伽瑪光子的最高能量達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的1.4PeV。由此可見，的這次科學(xué)成果在宇宙線起源的研究進(jìn)程中具有里程碑意義。具體來說有以下三個(gè)方面的科學(xué)突破：
1）闡明了銀河系內(nèi)普遍存在才能將粒子能量加速超過1PeV的宇宙加速器。在此次觀測中，所才能有效觀測到的伽瑪射線源中（觀測中超過5倍標(biāo)準(zhǔn)誤差的超出視為有效觀測），幾乎所有的幅射能譜都穩(wěn)定延展到幾百TeV且沒有顯著截?cái)啵f明幅射這種伽瑪射線的先輩粒子能量超過1PeV。這突破了當(dāng)前流行的理論模型所聲稱的銀河系宇宙線加速PeV能量極限。同時(shí)，發(fā)覺銀河系內(nèi)大量存在PeV宇宙加速源，也奔向解決宇宙線起源這一科學(xué)困局邁出了至關(guān)重要的一步。
2）開啟“超高能伽瑪天文學(xué)”時(shí)代。1989年，弗吉尼亞州惠普爾天文臺(tái)成功發(fā)覺了首個(gè)具有0.1TeV以上伽瑪幅射的天體，標(biāo)志著“甚高能”伽馬射線天文學(xué)時(shí)代的開啟，在此后的30年里，早已發(fā)覺超過兩百多個(gè)“甚高能”伽馬射線源。直至2019年,人類才偵測到首個(gè)具有“超高能”伽馬射線幅射的天體。出人預(yù)料的是，僅基于1/2規(guī)模的不到1年的觀測數(shù)據(jù)，就將“超高能”伽馬射線源數(shù)目提高到了12個(gè)。
隨著的建成和持續(xù)不斷的數(shù)據(jù)積累，可以預(yù)見這一最高能量的天文學(xué)研究將給我們詮釋一個(gè)飽含新奇現(xiàn)象的未知的“超高能宇宙”，為探求宇宙極端天體化學(xué)現(xiàn)象提供豐富的數(shù)據(jù)。因?yàn)橛钪娲蟊夹纬傻谋尘胺錈o所不在，它們會(huì)吸收低于1PeV的伽瑪射線。到了銀河系以外，雖然形成了PeV伽瑪射線，因?yàn)楸尘胺涔庾拥膰?yán)重吸收，我們也接受不到這種PeV伽瑪射線。打開銀河系PeV幅射偵測窗口，對(duì)于研究遙遠(yuǎn)的宇宙也具有特殊意義。
3）能量超過1PeV的伽瑪射線光子首現(xiàn)天鵝座區(qū)域和蟹狀星云。PeV光子的偵測是伽瑪天文學(xué)的一座里程碑，承載著伽瑪天文界的夢想，常年以來始終是伽瑪天文發(fā)展的強(qiáng)悍驅(qū)動(dòng)力。事實(shí)上，上個(gè)世紀(jì)80年代伽瑪天文學(xué)爆發(fā)式發(fā)展的一個(gè)重要?jiǎng)訖C(jī)就是挑戰(zhàn)PeV光子極限。天鵝座星體產(chǎn)生區(qū)是銀河系在北天區(qū)最亮的區(qū)域，擁有多個(gè)大質(zhì)量恒星星團(tuán)，大質(zhì)量星體的壽命只有幾百萬年，因而星團(tuán)內(nèi)部飽含了星體生生死死的劇烈活動(dòng)，具有復(fù)雜的強(qiáng)激波環(huán)境，是理想的宇宙線加速場所，被稱為“粒子天體化學(xué)實(shí)驗(yàn)室”。
在天鵝座星體產(chǎn)生區(qū)首次發(fā)覺PeV伽瑪光子，促使這個(gè)原本就飽受關(guān)注的區(qū)域成為找尋超高能宇宙線源的最佳天區(qū)。這個(gè)區(qū)域?qū)⑹且约跋嚓P(guān)的多波段、多信使天文觀測設(shè)備關(guān)注的焦點(diǎn)，有望成為解開“世紀(jì)之謎”的突破口。
歷史上對(duì)蟹狀星云大量的觀測研究，使之成為幾乎惟一具有清楚幅射機(jī)制的標(biāo)準(zhǔn)伽瑪射線源，跨越22個(gè)量級(jí)的波譜精確檢測清楚地表明其電子加速器的標(biāo)志性特點(diǎn)。但是，測到的超高能波譜，非常是PeV能量的光子，嚴(yán)重挑戰(zhàn)了這個(gè)高能天體化學(xué)的“標(biāo)準(zhǔn)模型”，甚至于對(duì)愈發(fā)基本的電子加速理論提出了挑戰(zhàn)。
技術(shù)創(chuàng)新
開發(fā)了遠(yuǎn)距時(shí)鐘同步技術(shù)，確保整個(gè)陣列的每位偵測器同步精度可達(dá)亞毫秒水平；在高速后端訊號(hào)數(shù)字化、高速數(shù)據(jù)傳輸、大型估算集群協(xié)助下滿足了多種觸發(fā)模式并行等尖端技術(shù)要求；首次大規(guī)模使用硅光電管、超大光敏面積微通道板光電倍增管等先進(jìn)偵測技術(shù)，大大提升了伽瑪射線測量的空間幀率粒子天體物理，達(dá)到了更低的偵測閾能，使人類在探求更深的宇宙、更高能量的射線等方面，都達(dá)到前所未有的水平。也為舉辦大氣、環(huán)境、空間天氣等前沿交叉科學(xué)研究提供了重要實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并成為多邊國際合作共同舉辦高水平研究的科學(xué)基地。
中國的宇宙線研究發(fā)展歷程
中國的宇宙線實(shí)驗(yàn)研究經(jīng)歷了三個(gè)階段，目前在建的是第三代高山宇宙線實(shí)驗(yàn)室。高山實(shí)驗(yàn)?zāi)芊癯浞纸柚髿庾鳛閭蓽y介質(zhì)，在地面進(jìn)行觀測，偵測器規(guī)模可遠(yuǎn)小于大氣層外的天基偵測器。因?yàn)槌吣芰坑钪婢€數(shù)目少見，這是惟一的觀測手段。1954年，中國第一個(gè)高山宇宙線實(shí)驗(yàn)室在海拔3180米的四川東川落雪山建成。1989年，在海拔4300米的拉薩納木錯(cuò)啟動(dòng)了中韓合作的宇宙線實(shí)驗(yàn)；2000年，啟動(dòng)中意ARGO實(shí)驗(yàn)。
2009年粒子天體物理，在上海香山科學(xué)會(huì)議上，曹臻研究員提出在高海拔地區(qū)建設(shè)小型復(fù)合偵測陣列“高海拔宇宙線觀測站”的完整設(shè)想。的主體工程于2017年開始建設(shè)，2019年4月完成1/4的規(guī)模建設(shè)并投入科學(xué)運(yùn)行。2020年1月，完成了1/2規(guī)模的建設(shè)并投入運(yùn)行，同年12月完成3/4規(guī)模并投入運(yùn)行。2021年，陣列將全部建成，成為國際領(lǐng)先的超高能伽瑪偵測裝置，投入常年運(yùn)行，從多個(gè)方面展開宇宙線起源的探求性研究。