北京
当你乘坐飞机从世界海拔最高的机场——稻城亚丁机场起飞后，透过舷窗向下俯瞰，除了巍峨的雪山和星罗棋布的“海子”（藏地对高原湖泊的称谓）之外，或许还能看到一个壮观的人造工程——一个由成千上万台粒子探测器组成的阵列，坐落在广袤高原上。它像一只睁开的大眼睛一样，时刻等待着来自宇宙深处的信使，这就是世界上最灵敏的超高能伽马探测装置——高海拔宇宙线观测站（LHAASO，简称“拉索”）。
“拉索”是世界上海拔最高、规模最大、灵敏度最强的宇宙射线探测装置，是中国国家重大科技基础设施，已经取得多项突破性科学成果。那么，这只“眼睛”是如何捕捉虚无缥缈的宇宙射线的呢？目前已经观测到了哪些“宇宙信号”？这篇文章，让我们来一起认识一下这个性能强大的“宇宙之眼”。
“拉索”俯瞰图
（图片来源：中国科学院高能物理研究所）
“拉索”的四大探测器阵列
从俯瞰图中可以看出，“拉索”由一大片密密麻麻的探测器组成，而这正是其观测到宇宙线的核心秘密所在。
LHAASO由四种探测器组成，它们各有“绝活”。当一个来自宇宙深处的高能粒子进入大气层后，会与空气分子相互碰撞，产生由无数微观粒子（如电子、缪子）组成的“粒子雨”，即空气簇射。这些探测器会以多种方式捕捉到达地面的各种粒子，共同帮助科学家揭开宇宙线的神秘面纱。
电磁粒子探测器的内部结构示意图
（图片来源：中国科学院高能物理研究所）
电磁粒子探测器（ED）阵列
由5216个1平方米的闪烁体探测器组成，分布在1.3平方公里（相当于180个标准足球场面积）的区域内。当有电子等电磁粒子落到任何一台探测器上，都会使闪烁体激发出光信号从而被记录下来。同时记录下来的还有这些粒子的到达时间，它可以精确到十亿分之一秒以内！
要实现如此精确的时间测量，不仅需要探测器具有极高的时间分辨率，还需要用到高精度时间同步技术。这样高的时间精度可以帮助科学家精确地计算出原初宇宙线粒子的方向。
缪子探测器（MD）阵列
由1188个埋在土堆下的水罐组成，它们被设计用来接收“粒子雨”中穿透力极强的缪子。在这些水罐中封装着的是超纯水，这是因为它们需要在长达20年的时间内保持水质稳定。这些水罐还被埋在土堆下，这是为了阻挡除了缪子以外的其他穿透能力较弱的粒子。
由于伽马射线产生的缪子更少，MD与ED联合工作，能够帮助人们把稀少的伽马射线从海量宇宙线背景中准确地识别出来。
缪子探测器的结构示意图
（图片来源：中国科学院高能物理研究所）
水切伦科夫探测器阵列（WCDA）
这是位于阵列中央，占地面积达78,000平方米的三个大水池，这些水池内部被分成3120个隔间，以避免信号的互相干扰。
当“粒子雨”以极高的速度冲入水中时，会激起一圈圈淡淡的蓝光，就像快艇划过水面时产生的波纹。水池底部密布着数千只极其敏感的光敏探头，它们能瞬间捕捉到这些人眼难以察觉的微弱闪光。根据闪光出现的时间和位置，就能精确推算出产生这阵“粒子雨”的原初粒子是从哪个方向来的，能量有多大。
处于建设时期的WCDA的内部
（图片来源：中国科学院高能物理研究所）
广角大气切伦科夫探测器阵列（WFCTA）
在水池旁边，还矗立着18台望远镜。它们就像一台台巨大的“单反相机”，在晴朗的夜里将镜头对准星空，抓拍住“粒子雨”划过大气留下的“侧颜”。这种观测方式能极为准确地估计出整场“粒子雨”的总能量。
这些望远镜可不是一般的天文望远镜，它们是由20多面球面镜和硅光电倍增管组成的精密成像系统。这些望远镜能够以极高的灵敏度捕捉到宇宙线次级粒子在大气中产生的微弱的切伦科夫光，不仅能够抵御高原环境的考验，并且即使在月光的干扰下也能够正常工作。
广角大气切伦科夫望远镜阵列
（图片来源：中国科学院高能物理研究所）
正是凭借以上这四种数量众多、性能强大的探测器，LHAASO才能够在地面洞察宇宙的奥秘。
“拉索之眼”观测到了什么？
在以上四种探测器阵列的协作配合下，“拉索”成果丰硕。从在银河系内发现十几个超高能宇宙加速器，到观测到来自天鹅座的人类史上最高能量光子，再到完整记录下最亮的“宇宙烟花”——伽马射线暴。在“拉索”的协助下，我们一次又一次加深了对宇宙的认识。
在仅完成一半规模时，“拉索”就发现了在银河系内普遍存在的大量超高能宇宙加速器，并记录到了能量高达一千四百万亿电子伏的伽马光子，这是人类观测到的最高能量光子，改变了人类对银河系的传统认知，标志着“超高能伽马天文学”时代的开启。2022年10月，全阵列建成的“拉索”记录到了编号为GRB 221009A的人类有记录以来最亮的伽马射线暴，完整记录了该伽马射线暴高能余晖的爆发全过程。拉索的科学发现还包括：首次精确测量了宇宙“标准烛光”蟹状星云在超高能段的伽马能谱，发布了包含43个超高能伽马射线源的星表，在天鹅座恒星形成区发现了巨型超高能伽马射线泡状结构，以前所未有的精度测量了宇宙线“膝”区能谱的变化等等。
下一次，当你从“拉索”上空飞过，请记得，在下方海拔4410米的高原上，有这样一个“天阵”正默默地聆听来自宇宙深处的低语，它不仅是科技工作者在大地上镌刻的印记，也是人类对未知的好奇与追寻。
出品：科普中国
作者：张笑鹏（中国科学院高能物理研究所）
监制：中国科普博览
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