[科普中国]-人类，你真能抓到我吗

进入地球大气层后的“宇宙线雨”示意图。中科院高能物理研究所供图

地球上的人类：

你们好！

我叫宇宙线，大名宇宙射线，是来自外太空的一种高能粒子。也许你从未听说过我，也不知道我从哪里来，又要到哪里去。但我对你们却并不陌生，我无时无刻不在地球上游荡。

不必讶异这一次我主动联系你们。

地球上的人类喜欢仰望星空，窥探宇宙起源的奥秘，400多年前你们中有个叫伽利略的，将凸凹透镜往星空一指，让人类拿起了望远镜这把观测宇宙的利器。直到1912年你们发现了我，兴奋得就像抓住了探索宇宙的最后一根稻草，说我是除陨石以外，来自宇宙的唯一物质样本。还把我称作“银河陨石”，是传递宇宙大事件的“信使”。

遗憾的是，100多年过去，你们仍没有搞清楚我究竟来自哪里，自然也无法推断出宇宙及其演化过程。在这场捉迷藏的游戏中，我的耐心几近耗尽。

公元2017年6月上旬的一天，一声“轰鸣”吵醒了我，似乎是你们人类挖掘机的声音，而且不止一辆。我定睛一瞧，在东半球的中国四川省稻城县，这个被你们称作“最后香格里拉”的地方，拉起一张大网，一个名为“高海拔宇宙线观测站（LHAASO）”的装置即将全面开工。

终于，你们又有大动作了！我有些欣慰，据说这个大装置一旦建成，将是世界上探测“最高能量伽马射线”的最灵敏探测器，说白了，就是最有可能“抓到”我的捕捉装置。

鉴于这场新的捕捉游戏才刚刚开始，我准备和你们交换一下意见，这也是我写这封信的缘故。

你们很聪明，知道在高海拔可以遇到更多的我，就把这台装置建在了海拔4410米的海子山。这天正赶上雨雪，加上荒芜的高原空气稀薄、寒风不定，你们中有人裹着大衣，还有人抱着便携式氧气瓶，一起来到这里，试着想象4年之后的大装置建成的样子。

人群中有一个叫曹臻的，据说是这个大装置LHAASO的首席科学家、中科院高能物理研究所研究员。这天，站在稻城海子山的巨石中间，面对广阔的高原，曹臻变得更加豪情满怀：眼下这里虽然还是花岗岩漂砾和冰蚀岩盆的地盘，但高海拔宇宙线观测站一旦建成，将会对解开“宇宙线”起源之谜形成强有力的冲击！

他在向我喊话！

不是我吹牛，想“抓到”我，谈何容易。你们不是没有尝试过。

一个多世纪以来，你们人类对我的“猎捕”手段可谓无所不用其极：“上天”，用粒子探测卫星在大气层外或大气层顶部试着直接找到我；“入地”，在世界屋脊青藏高原之上羊八井打下大型观测站；“下海”，在南极冰层下2400米深处安装巨型中微子望远镜。

然而，我的身世依然是个“谜”，在你们人类物理学界列出的21世纪科学问题中，有关我的起源之谜排在第五位。和我有关的探索与研究已经产生了6枚诺贝尔奖牌——据说是你们人类评选的科学界最高荣誉。

你们有一位科学家在这件事上看得比较明白，他叫何会海，是这个大装置项目的副经理、中科院高能物理研究所研究员。他就跟来访的记者说，探索“宇宙线起源”之所以很难，在于“宇宙线”能量越高，所代表的宇宙活动就越剧烈，但数量越稀少。

换句话说，我们宇宙线的数量和能量成反比，粒子能量每上升10倍，粒子数量就会下降1000倍，所以我的同胞最终能到达地球的少之又少。

有人打过一个比方，每过一分钟，才约有一个宇宙线穿过一枚硬币大小的面积，如此一来，人类对我们这些用肉眼看不见的“天外来客”自是浑然不觉。

其实，还有个重要原因，我们宇宙线家族，通常都是带电的高能粒子，在飞行的过程中，不可避免地会被宇宙中无处不在的星际磁场“拽着走”，等到了你们地球，早已经失去了最初的方向信息，如此你们也就没法反推我们来自何方。

换句话说，即便“抓到”了我们，我们也没法供出我们的“基地”在哪儿。

好在，我的同胞中有一些另类的兄弟，一个是伽马射线，一个是中微子，他们俩在磁场中穿行不受磁场的“拖拽”偏转，可以指向“源”的方向。此外，一些极高能量的粒子，在宇宙磁场中的“拖拽”偏转微小到可以忽略不计,也可以用来探寻我们的起源地。

也因此，在地面观测中，伽马射线、中微子、极高能粒子这三类同胞，成了你们的重点“抓捕”对象。按照曹臻的说法，目前你们人类科学家已经发现180多个“高能伽马射线源”，诸如超新星爆发、黑洞爆发、巨大星系之间的碰撞等，都可能是你们要找的“源”。不过，到底谁才是真正的“源”，还需要继续寻找证据。

这也是为何你们不惜花费10多亿元人民币，来布下LHAASO这张大网的主要原因。

——你们把LHAASO建在高山之上，希望充分利用大气作为探测介质和在地面进行观测的手段，扩大探测器规模，提高灵敏度。据说，美国一个探测装置工作一段时间后，从海拔2700米移师4100米的高山站址，借此将灵敏度提高十几倍。

——你们把LHAASO建得足够大，甚至将建成世界上最大规模的同类装置，则是因为你们笃定“观测面积越大”，“抓到”我们的可能性也就越大。

按照你们的设想，组成LHAASO大装置的四类灵敏度极高的探测器阵列——5195个电磁粒子探测器“小方块”， 1171个缪子探测器“大鼓包”，有两个半北京“水立方”那么大的“水池”水切伦科夫探测器，以及12台“千里眼”广角切伦科夫望远镜——将散布在稻城县海子山方圆1.36平方公里的范围内。

届时，整个大装置如同在高原上拉起一张大网，形成对我最大范围的“捕捉”能力。

那个叫何会海的科学家描述了一个“下雨”的场景：我们这些宇宙线粒子进入大气层后，会“击中”大气中的原子核，产生上百亿个次级粒子——就像一场粒子“阵雨”，瞬间降落在地面上，持续时间1纳秒左右。

按照何会海的说法，你们人类就是要用不同类型的地面探测器收集这些“宇宙线雨”，分析我们的方向、时间差等，反推原初粒子的性质，开展相关物理研究。

当然，用来“接雨水”的装置自然是越大越好。按照曹臻的说法，探测阵列只需布局到一定大小就可以开始观测，到2018年年底，仅建成四分之一的LHAASO已经是你们人类最大的同类宇宙线观测阵列。

到2021年建成之时，这个LHAASO大装置还将占有“三个世界之最”：具有最高的高能伽马射线探测灵敏度、能开展最灵敏的甚高能伽马射线巡天探测、具有最宽广的宇宙线能量测量范围。曹臻还有一个基本判断，即这个大装置在“最高能区的最高灵敏度”的领先地位，未来一二十年内可能都不会有人超越。

那时，也许你们人类可以联合起来，LHAASO加上现有的国际三大宇宙线研究中心——位于南美的3000平方公里的极高宇宙线AUGER实验，南极的立方公里中微子ICECUBE实验，欧洲的伽马天文定点观测CTA装置，一起合作对我实行“围追堵截”。

当然，眼下这里还只是散落着数米宽巨石的旷野，以及流淌而过的清澈小河。我有些疑问，也有些期待：几年后，你们真的能在这里“抓到”我吗？

着急等待中的宇宙线

2017年6月