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——國家重大科技基礎設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目標之一。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。在過去半個多世紀探測到的數(shù)千個伽馬射線暴中，最高能量光子達到大約1TeV。
山頂上的那三棟面積達到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，中國科學院高能物理研究所研究員陳明君和團隊負責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)的科學運行階段，為了測量世界上最微弱的光信號，它是在完全黑暗的環(huán)境中運行。
24日，陳明君和同事穿上潔凈服、戴上腳套，劃著小船進入伸手不見五指的三號水池，他們要逐一檢查維護這里的探測器單元和電子學箱。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。”陳明君告訴記者。
當宇宙線到達地球大氣層時，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和到達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35萬噸相當于190個標準泳池的用水量。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)展并應用了多項國際先進的探測器技術，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域里的第一次大規(guī)模成功應用。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。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。我們將時刻準備好，迎接更多、更遠的‘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設施，由我國自主提出并設計建造。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月完成建設并投入科學運行，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”觀測時代。
圖一：10月21日，陳明君（左）與團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行廣角切倫科夫望遠鏡的能量標定。
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。
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）與團隊工作人員討論需要解決的問題。
