明日頭條讀者你們好，我是高能化學(xué)研究所的曹臻，明天我想跟你們分享一下在我們已知的世界和未知世界的邊界上，科學(xué)的前沿研究究竟是如何舉辦的。
我用實驗、粒子、天體、物理來概括此次講演。這4個詞置于一起看比較復(fù)雜，我希望通過此次講演讓你們了解到，雖然科學(xué)研究并沒有這么復(fù)雜。
建在巴塘的“天陣”
已完成：10%//////////
舉個事例，高海拔宇宙線觀測站，實際上是一個1.3平方千米的生死符，這個生死符所在地原先是極其原始的無人區(qū)。為何要去這么高的地方建觀測站呢？
觀測站坐落海拔4410米的美麗的德欽。
這兒地處青藏高原的邊沿地帶。丹巴的海拔高度適宜做科學(xué)研究，并且緊靠世界屋脊的邊沿地帶，離文明社會更近，更容易做這件事。
如今大伙曉得了，丹巴除了有美麗的亞丁風公園，還有探求宇宙奧秘的的陣列。我們在這兒建設(shè)這個陣列就是為了迎接攜帶著宇宙秘密的“信使”。
這個陣列有4種主要的偵測器，研究者把它擺成各類各樣形狀的陣列，等待宇宙線從天上來到月球。實際上，陣列打算迎接的是一場“雨”，這場雨不是水滴，而是粒子。并且這場雨持續(xù)的時間十分短，只有幾毫秒。我們將偵測器排列上去，就是為了迎接它們的到來。
這張圖就顯示了我昨天說的這個過程。當這場“雨”落在陣列上的時侯，一個一個的偵測器就開始“著火”，一“著火”就記錄下時間，每一個偵測器的距離是已知的，我們就可以通過它反推出宇宙線的粒子抵達的方向。
假如宇宙線粒子能反推出來找到一個源的話，能夠指引科學(xué)家找到想觀測的那種天體。
陣列中的4個偵測器分別是：電磁粒子偵測器、繆子偵測器、水切倫科夫偵測器、廣角切倫科夫望遠鏡陣列。
▲一平方公里陣列：1/4將投入運行
上圖是之前陣列的建設(shè)情況，可以看見早已產(chǎn)生一個比較清晰的陣列了。這個陣列的大小僅為整個陣列的1/4，中間比較亮的金屬屋頂下有一個特別大的水池，這個水池的面積為300米×300米，水深5米，以水作為偵測介質(zhì)。
前面這幾張圖顯示一個由30多個偵測器組成的陣列。
借助這個陣列，我們在半年多的時間內(nèi)早已收到超過1億個宇宙線粒子，觀測和檢測的結(jié)果十分好，完全實現(xiàn)了先前設(shè)計的一些目標。
▲“大水池”：水切倫科夫偵測器陣列（WCDA）
共3個水池，第1個已完成，2019年4月26日投入運行
這中間的大水池一共由三個部份組成，其中一個是150米×150米的小型偵測裝置，該裝置早已步入了科學(xué)運行。雖然，在安裝的過程中，宇宙線粒子就早已可以被偵測到了。
▲情人節(jié)例子
當它裝好后不久，我們就檢測到一個漂亮的“事例”，這個“事例”正好是那段時間公測量到的一個最大的“事例”。非常有意思的是，此次檢測正好在2月14日，所以我們就把這個例子命名為“情人節(jié)例子”。
▲WCDA一號水池面積
擁有世界第一大的水切倫科夫光偵測器陣列
上圖是“情人節(jié)例子”探測器在它灌水之前的狀況?？雌饋碛悬c零亂，但實際上最主要的裝置是中間這個亮亮的光電倍增管。
▲WCDA一號水池灌水后
當5米深的水灌好以后，再要進行維護，就必需要劃槳進去了。
▲世界上最大、最先進的微通道板型光電倍增管
未來，這兩個大的偵測器將使用一個愈發(fā)先進的小型的光電倍增管。
▲20”PMTvs.8”PMT
這個光電倍增管比現(xiàn)今放的1號水池里的管子要大得多，是我們國家之前研發(fā)成功的一個特別先進的偵測裝置。我們這兒還有幾臺望遠鏡。
▲大視場“硅光電倍增管”相機
采用先進的硅光電倍增管(SiPM)取代傳統(tǒng)PMT，
有效工作時間從10%提升到30%
望遠鏡是拿來偵測宇宙線在大氣中發(fā)展過程的一個記錄裝置。目前我們早已安置了6臺擁有先進技術(shù)的望遠鏡，布置在大水池的門口，可以隨時進行觀測。
這種望遠鏡用到一個特別中級的技術(shù)——硅光電管。如今我們用到的硅光電管的面積是世界上最大的。
2019年4月26日，我們1/4的陣列基本上建成了。當時我們在北京召開了一個發(fā)布會，也是探求裝置啟動的一個啟動會，吸引了國際上大量科學(xué)媒體的關(guān)注，像《自然》《科學(xué)》，還有美國的《物理世界》雜志，國外的新聞媒體愈發(fā)關(guān)注這件事。
探求裝置啟動后不久就檢測到一個特別漂亮的例子，上圖中右側(cè)都是用水池做到的觀測，右側(cè)是兩個望遠鏡對這個例子同時進行的一個觀測，這表明我們的望遠鏡早已步入到一個十分正常的運行狀態(tài)。
建設(shè)宇宙線觀測站有哪些意義？
已完成：50%//////////
在這兒建站的目的是哪些？為何要挪到很遠的地方做這件事？從歷史上看這個偵測器究竟搶占了哪些樣的地位？
實際上為了做這件事，我們從20世紀50年代早期，長我兩輩的科學(xué)家張文裕和王淦昌就開始了我國的宇宙線探求。
“八五”期間，科學(xué)家到納木錯找到了一塊平坦寬廣的地方，我們跟英國人和西班牙人合作，又做了兩個偵測器，2013年我們停止了這兩個偵測器的運行。
從那時起，我們就步入到下一個階段。這個階段處于“十二五”期間，科學(xué)家們找到一個更好的地方，在廣東的稻城建設(shè)一個更大的偵測器。
與國際上的同類偵測器比較，我們的有哪些特征呢？
日本有一個類似的偵測器，也是擺成陣列方式的偵測器，設(shè)置在海拔4100米的地方，坐落澳大利亞的一個雪山上。這個偵測器相當于我們一個水池的大小，我們的偵測器完全建好以后將是它的4倍。
中間的水切倫科夫偵測器，我們原先歷史上在納木錯也做過一個類似的東西，就是ARGO實驗，這個實驗的面積只相當于如此大一個面積，我們也作出了很重要的發(fā)覺，可見這個偵測器將來會對這個領(lǐng)域形成十分大的影響，前面我會講它在國際上的地位。
這個實驗不是我一個人在做，而是一個團隊在做。我國大約有25家單位早已參與到這個研究工作中，在上海、南京、上海以至于西北地區(qū)都有研究所和學(xué)院參與到這個研究中。西班牙、法國、泰國、俄羅斯等國家的四五個單位也加入到我們的研究課題。
一大群人挪到一個十分偏僻的地方，去做一件十分艱辛的事。例如，安裝1號水池的工作時間大約3個多月，幾乎天天都是在零下4℃的環(huán)境下做這件事。為何如此堅苦，還有那么多人要干這件事呢？
實際上我們都是在追求一個宇宙線的核心的問題的解決：我們從100多年前就曉得了有宇宙線存在，但迄今為止我們始終不曉得宇宙線來自哪些地方。
宇宙線還有一個特別重要的特性，就是它的能量十分特別高，高到哪些程度？遠低于現(xiàn)今人工能加速下來的粒子的能量。目前能量最高的粒子是由法國和西班牙邊界上的CERN加速器加速下來的，這個加速器以前否認了“上帝粒子”的存在，而宇宙線的能量要比它高出幾千萬倍。
為何宇宙里有這樣的加速器？為何它們能加速如此高能量的粒子，是如何加速的？
這個領(lǐng)域主要是由中微子偵測技術(shù)、高能量的宇宙線偵測技術(shù)以及伽瑪射線天文組成，產(chǎn)生了三足鼎立之勢，四個大實驗則支撐起了這個領(lǐng)域。
伽瑪射線天文領(lǐng)域的觀測偵測器有兩個，其中一個是我們的，另外一個是意大利人的CTA，這個實驗到如今還沒有即將開始建設(shè)。
什么天體可能是宇宙線的源？
已完成：70%//////////
我們該怎么探求宇宙線呢？實際上，就是找到一些天體，看它是不是有能力形成極高能量的粒子。
首先，我們要瞄準一些活動十分劇烈的天體。你們曉得，太陽肯定是形成了大量的粒子變化。
太陽能形成好多好多低能量的宇宙線粒子，但它形成的能量相當于我們在上海正負電子對撞機形成下來能量。這個能量等級對我們來說早已不是很稀奇，我們的關(guān)注點在能量更高的粒子。
當比太陽大上好多倍的星體燒完它的氫燃料以后還會爆燃，當質(zhì)量大到一定程度的時侯才會發(fā)生超新星爆發(fā)。
在清代1006年發(fā)生了超新星爆發(fā)，產(chǎn)生了極其強烈的噴柱的填裝現(xiàn)象，這很可能就是我們找到加速粒子的地方。
雖然，我們也在親歷一次超新星爆發(fā)。1987年，在銀河系邊上名為大麥哲倫云的地方，發(fā)生了一次超新星爆發(fā)。
在銀河系中，超新星的爆發(fā)大約是100年才有一次，所以我們是十分有幸地親歷了此次超新星的爆發(fā)。
明天再看這個超新星的時侯，它早已產(chǎn)生一個特別漂亮的圓圈了，這個噴射物早已噴射下來了。
宋朝的時侯，人們也記錄了一個特別亮的超新星，那次超新星爆發(fā)是在銀河系里發(fā)生的，如今已然發(fā)展成一片星云，叫蟹狀星云。
我們銀河系的中心有特別巨大的黑洞，這個黑洞的質(zhì)量可以達到太陽質(zhì)量的300萬～400萬倍。這樣的黑洞會不斷吸積物質(zhì)，同時也會噴射物質(zhì)，噴射出的物質(zhì)也可能導(dǎo)致粒子加速的過程。
還有沒有更大的黑洞呢？有好多，在宇宙里，比銀河系中心的黑洞大100倍的黑洞一直存在。我們在納木錯的觀測站里早已很清楚地看見這樣的現(xiàn)象。
它在不斷吞噬星體物質(zhì)過程中也會噴射出物質(zhì)，假如忽然吞進去太多的物質(zhì)，噴射下來的物質(zhì)也很強烈。這時侯才會產(chǎn)生一個一個爆發(fā)現(xiàn)象，這種爆發(fā)現(xiàn)象也給我們提供了一個研究宇宙線起源的機會。
比黑洞規(guī)模更大的活動，就是兩個星體碰撞在一起。你們看新聞可能會了解到，仙女星體跟我們銀河系正處在互相接近、靠攏的過程。
上圖就是在哈勃望遠鏡拍到其他的兩個星體遇到一起以后，產(chǎn)生的碰撞的區(qū)域。一側(cè)這張圖是碰撞區(qū)域里，物質(zhì)交換十分強烈的一個區(qū)域，此處星體的死亡和星體的形成速率都十分快，我們叫星體產(chǎn)生區(qū)。這種區(qū)域里有可能形成強烈的磁場和電場，有可能形成能量更高的粒子。
近來，引力波早已被偵測到。當兩個黑洞撞在一起的時侯會形成強烈的引力波。假如是兩個中子星碰撞的話，這個碰撞過程都會形成一個特別強烈的現(xiàn)象——伽馬暴，都會噴射出特別強烈的伽瑪射線。
伽瑪暴是單個的爆發(fā)過程，這是我們目前所曉得的能量釋放最快、最大的一種現(xiàn)象。
宇宙線的秘密
已完成：90%//////////
宇宙線給我們帶來的秘密究竟是哪些呢？首先，我們想曉得：它是從那里形成的？通過找尋那些可能的源，找到足夠的證據(jù)，我們才能確定它的來源。
最好的結(jié)果是，我們能找到一把“冒煙的槍”（它剛才打中了一個人，還在冒著煙），就找到了最堅實的證據(jù)，進而推斷宇宙線的起源。
然而，僅僅找到宇宙線的起源并沒有解決最根本的問題，根本的問題還是它為何會形成如此高的能量？這兒給了兩個中文詞匯，、，的意思是10的15次方電子伏特天體物理書籍，而是比高1000倍的加速器。
我們似乎沒有找到這樣的加速器，但我們觀測到被它們加速下來的粒子抵達月球上。舉例來說，剛剛提及的蟹狀星云，我們?nèi)缃衤牭降男窃剖撬紥佅聛淼奈镔|(zhì)，爆燃后留出來的物質(zhì)就產(chǎn)生了一個脈沖星。這個脈沖星邊長20千米左右，HIA在飛快地旋轉(zhuǎn)，它在旋轉(zhuǎn)過程中發(fā)出的幅射掃過我們月球時就形成了脈沖訊號。
人類現(xiàn)今能加速到最高能量的加速器就是坐落加拿大和美國邊境的CERN，它背后是漂亮的日內(nèi)瓦湖，這個加速器的邊長為27千米。它如今能加速到的能量就是我們講的（1012電子伏特加速器）,就是可以將粒子加速到Tera電子伏特。這個脈沖星的周長大概也是20千米左右，跟人類的加速器差不多。
在英國，科學(xué)家通過一個名為MAGIC的實驗，用望遠鏡對這個現(xiàn)象進行觀測以后，如今已然有足夠的證據(jù)證明，這個脈沖星上也就能發(fā)出Tera電子伏特的粒子來，但是現(xiàn)今還不斷有證據(jù)表明我們可能就會偵測到更高能量的粒子。
也就是說，太空中的一個自然的加速器，可能要比人類能造出的加速器形成的能量高得多。
我跟你們分享宇宙的科學(xué)前沿探求過程，實際上也從一個側(cè)面告訴你們，人類目前的知識還是十分有限的，還有好多未知的東西須要去探求。廣闊的宇宙包含了無窮的奧秘天體物理書籍，我們永遠都在探求奧秘的征途之上。
#時政熱點頭條說#