高海拔宇宙線觀測(cè)站(Large High Altitude Air Shower Observatory,簡(jiǎn)稱(chēng):LHAASO)是以宇宙線觀測(cè)研究為核心的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施, 2015年12月31日獲得國(guó)家發(fā)改委批準(zhǔn)立項(xiàng)。2017年6月主體工程動(dòng)工建設(shè),2021年7月全陣列建設(shè)完成。2023年5月10日,通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收。
【科學(xué)目標(biāo)】LHAASO的核心科學(xué)目標(biāo)是探索高能宇宙線起源以及相關(guān)的宇宙演化、高能天體演化和暗物質(zhì)的研究。具體的科學(xué)目標(biāo)是:
(1) 探索高能宇宙線起源。通過(guò)精確測(cè)量高能伽馬源寬范圍能譜,研究高能輻射源粒子的特征,探尋銀河系內(nèi)重子加速器存在的證據(jù),在發(fā)現(xiàn)宇宙線源方面取得零的突破;精確測(cè)量宇宙線能譜和成分,研究宇宙線加速和傳播機(jī)制。
(2) 開(kāi)展全天區(qū)伽馬源掃描搜索,大量發(fā)現(xiàn)新伽馬源,特別是河外源,積累各種源的統(tǒng)計(jì)樣本,探索其高能輻射機(jī)制,包括產(chǎn)生強(qiáng)烈時(shí)變現(xiàn)象的機(jī)制,研究以超大質(zhì)量黑洞為中心的活動(dòng)星系核的演化規(guī)律,捕捉宇宙中的高能伽馬暴事例,探索其爆發(fā)機(jī)制。
(3) 探尋暗物質(zhì)、量子引力或洛侖茲不變性破壞等新物理現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)新規(guī)律。
【總體技術(shù)方案】為提高探測(cè)靈敏度,LHAASO將建設(shè)成由多種探測(cè)手段組成的復(fù)合式地面粒子探測(cè)器陣列,并充分發(fā)揮高海拔和大規(guī)模的探測(cè)面積的優(yōu)勢(shì)。具體方案見(jiàn)“技術(shù)方案”部分。
【建設(shè)地點(diǎn)】本觀測(cè)站位于四川省稻城縣海子山,占地面積達(dá)1.36平方公里(2040畝),海拔為4410米,距稻城亞丁機(jī)場(chǎng)10公里,成都708公里。
【裝置建設(shè)目標(biāo)】通過(guò)LHAASO的建設(shè),力求在科學(xué)前沿和探測(cè)技術(shù)兩方面實(shí)現(xiàn)重要突破:
(1)瞄準(zhǔn)宇宙線起源這一世紀(jì)難題,抓住機(jī)遇,爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)突破;
(2)充分利用站址的高海拔優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)在伽馬天文觀測(cè)和宇宙線實(shí)驗(yàn)中的三個(gè)世界第一:在高能端以最高靈敏度探測(cè)伽馬射線、對(duì)TeV能段的伽馬射線源有最強(qiáng)的巡天掃描搜索能力、對(duì)宇宙線的能譜測(cè)量將覆蓋最寬廣的能量范圍。
【總體科學(xué)技術(shù)方案 】
緊扣LHAASO的科學(xué)目標(biāo),制定的總體技術(shù)方案是:分別在三個(gè)能量范圍內(nèi),采用不同的技術(shù)手段,對(duì)宇宙線粒子和伽馬射線在大氣中產(chǎn)生的空氣簇射(EAS)作多參數(shù)的精確測(cè)量。實(shí)現(xiàn)方案為:
?。?/span>1)建設(shè)1km2 電磁粒子探測(cè)器陣列和有效面積達(dá)42000m2 的繆子探測(cè)器陣列的設(shè)計(jì)方案(KM2A)。
?。?/span>2)建設(shè)以測(cè)量簇射粒子在水中產(chǎn)生的切倫科夫光為探測(cè)技術(shù)的78000m2探測(cè)器陣列的設(shè)計(jì)方案(WCDA)。
?。?/span>3)建成18臺(tái)廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列(WFCTA)。
【系統(tǒng)構(gòu)成及建設(shè)內(nèi)容】
(1)地面簇射粒子陣列(KM2A)
KM2A設(shè)計(jì)為中心區(qū)半徑575m 的地面粒子陣列,5216個(gè)電磁粒子探測(cè)器(ED)以間距15m呈品字形均勻排列,1188個(gè)繆子探測(cè)器(MD)以間距30m呈品字形均勻排布于陣列中;外圍區(qū)是一個(gè)半徑處于575m-635m之間的環(huán)形區(qū)域,以間距30m共排布294個(gè)ED。下面效果圖中:遍布整個(gè)陣列的ED如圖中小黃色方塊所示,而MD如圖中的綠色凸起所示。
ED:用于測(cè)量EAS中的次級(jí)電磁粒子。探測(cè)介質(zhì)為塑料閃爍體,通過(guò)波長(zhǎng)位移光纖收集帶電粒子在閃爍體內(nèi)產(chǎn)生的閃爍光,并傳導(dǎo)到光電倍增管(PMT),轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。
MD:用于測(cè)量EAS中的繆子含量?;緲?gòu)造是在一鋼筋混凝土罐體內(nèi)置軟體水袋,水袋內(nèi)裝超純水,水袋頂部中心安裝一只8-10英寸的PMT,收集進(jìn)入罐體的繆子在水中產(chǎn)生的切倫科夫光,轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。
(2)水切倫科夫探測(cè)器陣列(WCDA)
陣列面積為78,000 m2,由2個(gè)157.5m′150m和1個(gè)307.5m′100m 共3個(gè)相鄰的大型水池構(gòu)成,水深4.4m。每個(gè)水池分為若干個(gè)5m×5m的單元探測(cè)器,各放置一支PMT,觀測(cè)EAS中的次級(jí)粒子在水中產(chǎn)生的切倫科夫光,轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。
(3)廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列(WFCTA)
測(cè)量高能宇宙線或高能伽馬射線通過(guò)簇射在大氣中產(chǎn)生的切倫科夫光或熒光。借助望遠(yuǎn)鏡獨(dú)有的可移動(dòng)特性、通過(guò)階段性陣列布局調(diào)整、聯(lián)合KM2A、WCDA,多參數(shù)、分能段,精確測(cè)量宇宙線分成份能譜。采用多塊鏡片組成的球面反射鏡設(shè)計(jì)方案,反射光由位于焦平面的PMT陣列來(lái)收集。