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羊八井觀測站工作人員與參觀團(tuán)在ARGO實驗廳前合影

ASγ 陣列局部

ARGO 廳內(nèi)的“地毯” 中國科學(xué)院高能物理所供圖
　　宇宙線是來自宇宙深處的高能粒子流，它攜帶著宏觀宇宙、微觀世界和空間環(huán)境的科學(xué)信息，聯(lián)系著宇宙的歷史、天體的演化、空間的環(huán)境和許多未解的科學(xué)之謎。
　　為避免大氣層對宇宙線的過度衰減，高山站一直是宇宙線研究的重要基地。早期的宇宙線研究中，人們發(fā)現(xiàn)了眾多的基本粒子及新的相互作用。中科院高能物理所西藏羊八井宇宙線國家野外觀測研究站（以下簡稱羊八井觀測站）地處海拔4300米的高原，在國際宇宙線觀測研究領(lǐng)域占有重要地位。
　　承載科研使命
　　研究人員告訴記者，宇宙線能量越高、數(shù)量就越稀少，致使尺度很小的空間探測器難以捕捉，因此，用大型地面探測陣列來間接觀測宇宙線就成為必然，用這種方法科學(xué)家能觀測到高能宇宙線在地球大氣層中引發(fā)的大規(guī)模粒子產(chǎn)生和增殖現(xiàn)象，即廣延大氣簇射（EAS）。
　　按觀測站的建立地點(diǎn)來分類的話，科學(xué)家們觀測宇宙線的方式主要有三種，即：空間觀測、地面觀測、地下（或水下）觀測。 為了有效和長期對宇宙射線進(jìn)行觀測，各國相繼建立了觀測站。
　　1943年，前蘇聯(lián)在亞美尼亞建立了海拔3200米的阿拉嘎茲高山站；日本在戰(zhàn)后建立了海拔2770米的乘鞍山觀測所；1954年我國建立了海拔3200米的云南東川站。1990年，中日雙方共同合作建立了羊八井觀測站。
　　“羊八井觀測站擁有高海拔優(yōu)勢，EAS可以在此進(jìn)行精確測量?！毖虬司^測站早期建設(shè)者、中科院高能物理所研究員譚有恒告訴《中國科學(xué)報》記者。
　　羊八井觀測站以大型地面探測陣列為平臺，利用宇宙線觀測結(jié)果展開對宇宙線起源問題、宇宙和高能天體演化規(guī)律等重大科學(xué)難題的研究。
　　據(jù)譚有恒介紹，羊八井觀測站不僅可進(jìn)行天體和粒子方面的基礎(chǔ)研究，也可以利用宇宙線作為太陽活動和地球“空間天氣”的“晴雨表”特征，為航天安全和地球環(huán)境保護(hù)服務(wù)。
　　隨著這些年的升級改造，羊八井觀測站的設(shè)備可以為天體、空間、粒子、太陽及環(huán)境方面的學(xué)者提供研究條件。譚有恒說：“羊八井地區(qū)的海拔高度和位置對大氣、地球物理、云雨雷電的研究及太陽能的開發(fā)示范活動頗為有利?！?br/>　　開闊的地形和宜居環(huán)境使羊八井具有較大容納度和發(fā)展空間，特殊的自然條件及地區(qū)建設(shè)的突飛猛進(jìn)，使羊八井具備了接納、建設(shè)和長期維持大規(guī)模、高技術(shù)設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)代化、全球化實驗的條件。
　　兩項國際實驗
　　現(xiàn)在，羊八井觀測站開展了中日合作空氣簇射（ASγ）宇宙線實驗、中意合作天體物理地基觀測研究（ARGO-YBJ）實驗兩個大型國際合作項目，科研人員可在此同時開展氣候、空間天氣等方面的研究。
　　1988年，中日合作ASγ陣列實驗在羊八井展開，1990年建成中日合作羊八井一期陣列。譚有恒說：“羊八井一期實驗的成果向國人和世界顯示了羊八井站址的科學(xué)價值和巨大的物理潛能?！?br/>　　隨后，專家們把研究方向瞄準(zhǔn)地面宇宙線實驗四個重大課題中的三項，即膝區(qū)物理、γ天文和利用宇宙線對太陽活動和日地環(huán)境的監(jiān)測研究，來抓羊八井二期實驗建設(shè)。
　　中日合作ASγ陣列實驗的科學(xué)目標(biāo)是宇宙線能譜“膝區(qū)”物理研究。實驗通過采樣式的塑料閃爍體探測器陣列獲取次級粒子橫向分布的信息，由此得到原初粒子的方向等信息以及所攜帶的能量。
　　中科院高能物理所研究員胡紅波說：“在ASγ實驗中，我們可以測量高能宇宙射線在不同方向上僅千分之一的強(qiáng)度差別。在甚高能情況下，由于測量到的差別大大減小，可以得出銀河宇宙線整體上隨環(huán)境繞銀心共轉(zhuǎn)的結(jié)論。”
　　中意合作全覆蓋式探測陣列ARGO-YBJ實驗于2006年建成并開始運(yùn)行。ARGO-YBJ實驗大廳總面積為11200平方米，由輕質(zhì)、高保溫的聚氨酯彩鋼夾芯板為基本建筑材料，在不使用空調(diào)的情況下，可有效抑制海拔地區(qū)較大的晝夜溫差對室內(nèi)溫度影響，以保證探測器長期穩(wěn)定工作。
　　ARGO-YBJ實驗的中方發(fā)言人、中科院高能物理所研究員曹臻介紹，ARGO-YBJ探測器由一個安裝在上萬平方米的實驗廳的5700平方米中心“地毯”和一個2500平方米的外圍保護(hù)圈組成，是迄今非加速器物理實驗中數(shù)據(jù)量最高的實驗裝置之一。ARGO-YBJ探測器用于運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測的數(shù)據(jù)和觀測原始數(shù)據(jù)，通過寬帶實時傳往北京，來自北京的遠(yuǎn)程操作命令也可通過寬帶送達(dá)現(xiàn)場的控制系統(tǒng)。
　　2008年，由我國自主研制的兩臺廣角契倫科夫望遠(yuǎn)鏡在羊八井觀測站通過安裝測試。目前，兩臺樣機(jī)已經(jīng)與ARGO-YBJ聯(lián)合觀測并獲取重要的宇宙線物理結(jié)果，測量了宇宙線氫、氦混合能譜的“膝”，發(fā)現(xiàn)其能量明顯低于現(xiàn)有實驗如德國的KASCADE實驗結(jié)果。據(jù)曹臻介紹，ARGO-YBJ還完成了監(jiān)測宇宙線隨太陽活動的變化，研究其長周期變化與地球環(huán)境變化的關(guān)聯(lián)。
　　交叉學(xué)科貢獻(xiàn)
　　譚有恒指出，在交叉學(xué)科研究中，羊八井觀測站表現(xiàn)出了得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。
　　首先，科研人員在羊八井觀測站可利用多種天文波段和實驗手段的幫助，在天文、粒子物理、宇宙學(xué)的配合下，共同開展宇宙線和粒子天體物理前沿課題的研究；其次，觀測站獲得的世界一流的宇宙線觀測數(shù)據(jù)，可供其他學(xué)科領(lǐng)域進(jìn)行相關(guān)研究，進(jìn)而獲得重要的科研或應(yīng)用成果。此外，羊八井平臺進(jìn)行的交叉學(xué)科研究，有助于建立一支高水平的交叉學(xué)科科研團(tuán)隊，并進(jìn)一步推動我國交叉學(xué)科研究的發(fā)展。
　　羊八井觀測站較好地發(fā)揮了它的高海拔優(yōu)勢，供科研人員研究宇宙線與日地空間相關(guān)性，開展空間天氣、災(zāi)害預(yù)警、空間探測等多學(xué)科交叉研究與應(yīng)用。通過長周期觀測與積累相關(guān)學(xué)科的數(shù)據(jù)，羊八井觀測站為大氣科學(xué)、地球科學(xué)等研究領(lǐng)域提供綜合研究平臺。
　　自建成以來，西藏大學(xué)、山東大學(xué)、西南交通大學(xué)、云南大學(xué)以及中科院國家天文臺、紫金山天文臺、空間中心等多家國內(nèi)科研單位與羊八井觀測站開展合作。
　　羊八井ASγ陣列已經(jīng)增加了大型μ子探測器群。因為宇宙線核子在大氣級聯(lián)過程中發(fā)生強(qiáng)相互作用，產(chǎn)生大量的繆子，而伽馬或電子的級聯(lián)是電磁相互作用過程，很少產(chǎn)生繆子?？茖W(xué)家們可以通過繆子的多少來排除宇宙線本底，提高觀測伽馬和電子的靈敏度。
　　譚有恒說：“學(xué)科前沿是眾多研究活動推動的，因而是動態(tài)的，特別是在技術(shù)進(jìn)步日新月異的當(dāng)代。要想有所作為，必須緊緊扣住學(xué)科發(fā)展的脈搏，以盡可能快的速度去占領(lǐng)前沿陣地?！痹谘虬司^測站運(yùn)行的兩套設(shè)備和兩個科研團(tuán)隊中產(chǎn)生了許多研究成果，有著可以彼此重復(fù)、相互支持補(bǔ)充的結(jié)果，相當(dāng)于通過了交叉檢驗，有利于自信心和國際認(rèn)可度的提升。
　　延伸閱讀
　　躍上羊八井
　　■譚有恒
　　30多年前，在海拔4300米、氣候惡劣、變化無常、輻射強(qiáng)烈的雪域高原——西藏念青唐古拉山腳，活躍著一支來自中國科學(xué)院高能物理研究所的科研團(tuán)隊——羊八井宇宙線實驗組，我有幸成為其中一員，參與了羊八井國際宇宙線觀測站的建設(shè)。
　　羊八井國際宇宙線觀測站占地210畝，是當(dāng)今世界上有效常年觀測站中海拔最高的一個。
　　由于西藏羊八井氣候溫和，終年無積雪，地勢平坦開闊，有地?zé)犭姀S和居民為鄰，有青藏公路、鐵路及寬帶通訊光纖通過，距拉薩僅90公里。在能源、交通及生活上都具有便利條件，科研人員可在此進(jìn)行長年不間斷觀測。因此，羊八井具有大型設(shè)備長期高質(zhì)量運(yùn)行的條件。
　　此前，建于1954年的云南東川落雪實驗室是我國唯一的宇宙線野外實驗站，隨后在此基礎(chǔ)上建成了云南站，該實驗站以奇異粒子和高能核作用為研究方向，以傳統(tǒng)的云霧室為觀測手段。
　　隨著歐洲核子研究中心的超級質(zhì)子同步加速器問世，美國費(fèi)米實驗室反質(zhì)子對撞機(jī)的建造，云南站大云霧室的TeV級工作能區(qū)已被飛速發(fā)展的人工高能加速器所占領(lǐng)。
　　在這樣的形勢下，接收度甚小、每小時只能有幾次觸發(fā)照像的云霧室系統(tǒng)仍需半手工操作，即使做得再大，也無法與現(xiàn)代化的加速器實驗爭能區(qū)、爭課題。到了上世紀(jì)70年代末、80年代初期，中國宇宙線研究也進(jìn)入大討論、大轉(zhuǎn)型的時期。
　　宇宙射線除了其粒子的（微觀的）屬性外，更具有宇宙的屬性。宇宙射線不僅攜帶著有關(guān)宇宙遠(yuǎn)方、天體演化、空間環(huán)境及太陽活動等多種寶貴科學(xué)信息，還源源不絕地自動送上門來，不應(yīng)被人類熟視無睹，也不應(yīng)只將其當(dāng)作“粒子炮彈”來用。
　　然而，隨著人工加速器能量的逐日提高，宇宙線研究應(yīng)當(dāng)愉快地讓出它傳統(tǒng)的高能和甚高能能區(qū)，而移師到加速器尚不能達(dá)到的超高能能區(qū)，去研究核作用的新特征和新現(xiàn)象，同時在所有能區(qū)（主要是更低的能區(qū)）偏重對宇宙線宇宙?zhèn)让娴难芯俊?br/>　　因此，走出云南站云霧室和高能核作用的局限就成為形勢發(fā)展的必然。當(dāng)年，很多同志選擇了空間硬X射線，我們團(tuán)隊則選擇了基于宇宙線廣延大氣簇射（EAS）技術(shù)和我國特有的高山優(yōu)勢的地面實驗，開始了艱苦的創(chuàng)業(yè)歷程。
　　為了掌握這門技術(shù)，我們從1983年開始，以完全自力更生白手起家的方式，研制了一套由63個0.25平方米閃爍探測器組成的EAS陣列，并于1987年建成了懷柔EAS觀測站。
　　原先計劃是工作兩年后搬到西藏，以同一套設(shè)備異地觀測EAS的縱向發(fā)展，研究“膝區(qū)”物理。不料德國基爾大學(xué)研究組于1983年宣布“發(fā)現(xiàn)”河內(nèi)雙星SygX-3為超高能γ源（后證明為誤），大家都以為找到了破解宇宙線起源之謎的鑰匙，從而引起了世界范圍的γ天文熱潮。
　　于是，我們及時調(diào)整了重點(diǎn)目標(biāo)，于1984年到羊八井考察，1986年邀請美、日、意、蘇等國的有關(guān)學(xué)者，在北京召開了“西藏計劃”國際研討會，達(dá)成中、日、意、美分工合作在羊八井建造一復(fù)合型EAS陣列的初步意向。
　　1988年，以中日雙邊合作的形式正式啟動了羊八井實驗的籌建工作。同年，日方申請到約四千萬日元的科研費(fèi)，我們也獲得了20萬元的所長基金啟動“西藏計劃”。于是“量體裁衣”，快速度、小規(guī)模開始籌建工作。
　　中方負(fù)責(zé)羊八井基地建設(shè)，日方提供陣列設(shè)備。共同的科學(xué)興趣和緊迫感使雙方配合默契。高原嚴(yán)冬，我們堅持在野外工作，使45個探測器的羊八井一期小陣列和羊八井觀測站于1990年元月初步建成。
　　在那極其艱苦的條件下，羊八井宇宙線實驗組無私無畏、勇于開拓、甘于奉獻(xiàn)，堅持逐年發(fā)展，終于建設(shè)起一個具備多樣觀測手段的宇宙線觀測站。2001年，羊八井國際宇宙線觀測站被國家科技部列為首批國家重點(diǎn)野外觀測試點(diǎn)站。（作者系中國科學(xué)院高能物理所研究員）
　?。ㄔd于《中國科學(xué)報》 2015-02-09 第8版 平臺)