拉索·新發(fā)現(xiàn) 全球首次打開十萬億電子伏波段的伽馬射線暴觀測窗口
10月24日晚，甘孜州稻城縣海子山迎來了入秋后的第一場大雪。漫天飛舞的雪花很快把1000多個均勻排列在海拔4410米山頂上的巨大“土堆”和“土堆”正中央的三棟超大型“房間”染成了白色，這里是全球最大、靈敏度最高的宇宙線觀測站——國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施高海拔宇宙線觀測站（LHAASO，拉索）。宇宙無限，“信使”有痕，就在10月9日21點17分，高海拔宇宙線觀測站、高能爆發(fā)探索者和“慧眼”衛(wèi)星同時探測到迄今最亮的伽馬射線暴，打破了多項伽馬射線暴觀測紀(jì)錄。
伽馬射線暴是宇宙中最劇烈的天體爆發(fā)現(xiàn)象，短至幾毫秒，長達(dá)數(shù)小時，釋放的能量超過太陽一生輻射能量的總和。捕捉和高統(tǒng)計量觀測伽馬射線暴是拉索的重要科學(xué)目標(biāo)之一。此次亮度空前的爆發(fā)，正好發(fā)生在其視場的中心附近。拉索在本次觀測中探測到了大量的高能光子，最高光子能量達(dá)到18萬億電子伏（TeV），在國際上首次打開了10萬億電子伏波段的伽馬射線暴觀測窗口。在過去半個多世紀(jì)探測到的數(shù)千個伽馬射線暴中，最高能量光子達(dá)到大約1TeV。
山頂上的那三棟面積達(dá)到7.8萬平方米的超大型“房間”是水切倫科夫探測器陣列，主要探測的是銀河系內(nèi)外甚高能伽馬射線源。在探測伽馬射線暴的過程中，中國科學(xué)院高能物理研究所研究員陳明君和團(tuán)隊負(fù)責(zé)的水切倫科夫探測器陣列發(fā)揮了重要作用。它是拉索四大探測器陣列之一，位于整個觀測站的中央，由3個水池組成。2021年3月，探測器陣列全部轉(zhuǎn)入了正式平穩(wěn)的科學(xué)運(yùn)行階段，為了測量世界上最微弱的光信號，它是在完全黑暗的環(huán)境中運(yùn)行。
24日，陳明君和同事穿上潔凈服、戴上腳套，劃著小船進(jìn)入伸手不見五指的三號水池，他們要逐一檢查維護(hù)這里的探測器單元和電子學(xué)箱。船劃到指定位置，黑暗中陳明君的頭燈光束直射水底，水下碩大的探測器單元核心設(shè)備——光電倍增管，被照得清晰可見，他和同事一起用“鉤子”把光電倍增管拉起，進(jìn)行檢查?！八乩锏纳疃仁?.5米，這些純凈水的透明度比自來水高三倍以上，切倫科夫光就從里面捕獲?！标惷骶嬖V記者。
當(dāng)宇宙線到達(dá)地球大氣層時，會產(chǎn)生許許多多的次級粒子。這些粒子劃過“房間”里的純凈水時，會發(fā)出非常微弱的藍(lán)光，這就是切倫科夫光。再經(jīng)過水底安裝的光敏探頭通過測量這些微弱光的光強(qiáng)和到達(dá)時間分析出所需要的宇宙線信號。目前，拉索的水切倫科夫探測器是世界上最大體量的純凈水探測器，內(nèi)儲凈水35萬噸相當(dāng)于190個標(biāo)準(zhǔn)泳池的用水量。要維持這么大體量水的透明度，國際上沒有可以借鑒的經(jīng)驗，陳明君與團(tuán)隊一起經(jīng)過多年的摸索試驗，通過調(diào)節(jié)加氯劑量方式和增加水循環(huán)流量，成功解決了該難題。
為了成功捕捉到宇宙線，我國的科研人員創(chuàng)新發(fā)展并應(yīng)用了多項國際先進(jìn)的探測器技術(shù)，安裝在水底的光電倍增管就是其中之一。7.8萬平方米的“房間”中整齊地布置了3120個探測器單元，其中安裝了2200多支完全國產(chǎn)化的20英寸光電倍增管。這是國際上最大尺寸的光電倍增管在宇宙線實驗領(lǐng)域里的第一次大規(guī)模成功應(yīng)用。探測器單元的光電倍增管將接收到的光信號，轉(zhuǎn)化為時間切片，探測器每分鐘能有3萬多張切片。在這些切片中顯示的帶顏色的光點，顏色越明亮，表明射線能量越強(qiáng)。這次伽馬射線暴的發(fā)現(xiàn)，探測器單元非常清楚地記錄下來自24億光年外的能量。
換好服裝走出3號水池的陳明君與團(tuán)隊工作人員來到屋外，他們討論著今天檢測遇到的問題。飛舞的雪花在車燈的照射下，在空中拉起了根根亮線，陳明君說：“它們看起來真美，就像宇宙線來到拉索的軌跡。我們將時刻準(zhǔn)備好，迎接更多、更遠(yuǎn)的‘宇宙信使’?！?/p>
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拉索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，由我國自主提出并設(shè)計建造。觀測站位于四川省稻城縣海拔4410米的海子山，占地面積約1.36平方公里。拉索主體工程于2021年7月完成建設(shè)并投入科學(xué)運(yùn)行，是世界上靈敏度最高的超高能伽馬射線天文臺，開啟了“超高能伽馬天文學(xué)”觀測時代。
圖一：10月21日，陳明君（左）與團(tuán)隊工作人員觀察水下4.5米深的探測器單元的光電倍增管。
圖二：10月21日，陳明君劃著小船在水切倫科夫探測器陣列的水面上觀察。
圖三：10月21日，科研人員在維護(hù)拉索的繆子探測器。
圖四：10月21日，科研人員行走在水切倫科夫探測器的屋頂上。遠(yuǎn)方的每個大概36平方米的土堆是拉索的繆子探測器，放置了裝有超純水的高反射率水袋。
圖五：為了更好地測量宇宙線在大氣中的切倫科夫光，10月21日晚，科研人員利用激光進(jìn)行廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡的能量標(biāo)定。
圖六：10月21日，科研人員在電腦上展示探測器的時間切片，片中顯示的帶顏色的光點，顏色越明亮，表明射線能量越強(qiáng)。
圖七：10月24日晚，拉索迎來了今秋的第一場大雪，走出水切倫科夫探測器的陳明君（中）與團(tuán)隊工作人員討論需要解決的問題。
