高海拔宇宙線觀測站

作為太陽系以外唯一的物質樣本，宇宙線以及它們的起源是人類探索宇宙及其演化的重要途徑。在1912年宇宙線被發現之後的一百年間，與之相關的探索與研究已經產生了數枚諾貝爾獎牌，但人類始終沒有發現宇宙線的起源，從而使宇宙線起源問題成為跨越物質最小單元夸克到整個宇宙的自然科學在21世紀所面臨的包括暗物質、暗能量等在內的若干基本問題之一，在歐、美的科學決策機構凝鍊出的6個或11個基礎科學難題中位列前5。“高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）”正是瞄準這一重大科學難題而提出的。

為了探索宇宙線這種瀰漫整個宇宙的帶電粒子的起源，歐美和中、日的伽馬天文學實驗、美國的南極中微子實驗以及多國合作的巨型極高能宇宙線實驗組成了3個支柱性的研究分支。其中伽馬天文學實驗尤為成熟，在過去20年內拓展出一個最為活躍的高能物理與天體物理的交叉領域，已經發現150多個源天體，其中存在多個宇宙線的候選源，孕育著突破的重大機遇。目前，該領域內國際上競爭十分激烈，美國在結束第二代的MILAGRO實驗之後，從海拔2700米移師4100米的高山站址，藉此將靈敏度提高十幾倍，開始了HAWC實驗，已經完成建設任務，並於2014年底開始觀測。歐洲更加宏偉的切倫科夫望遠鏡陣列（CTA）計劃，已經列入剛剛發布的歐洲天體物理髮展路線圖，將耗資2億歐元對現有實驗升級換代，試圖用其傳統的定點觀測裝置覆蓋寬廣的能區。

高山實驗是宇宙線觀測研究中能夠儘可能減小大氣層的吸收效應的地面探測手段，其規模可以遠大於大氣層外的天基探測器，成為甚高能和超高能伽馬天文和宇宙線觀測必不可少的研究手段。我國的宇宙線研究通過與宇宙線研究強國日本和義大利近30年的長期合作，正是利用了世界屋脊之上羊八井觀測站得天獨厚的天然優勢，獲得了研發第一代（ASγ）和第二代（ARGO-YBJ）伽馬射線巡天望遠鏡的成功經驗，在大視場巡天領域處於國際先進行列。在此基礎上，我們建議在綜合條件更優越的站址建設高海拔宇宙線觀測站，採用多種探測手段實現複合、精確的測量，大幅提高靈敏度，覆蓋更寬廣的能譜，建設第三代伽馬天文探測器，在以下三個方面達到世界領先水平：

⑴超高能伽馬射線探測靈敏度。在高於10TeV的能量區域，比ARGO-YBJ實驗的探測能力提高几百倍，甚至於比CTA計劃的靈敏度還要高十幾倍，長期佔據該實驗研究領域的制高點；

⑵甚高能伽馬射線巡天普查靈敏度。在幾百GeV的能區，與ARGO-YBJ相比提高30倍，從而以高於HAWC三到四倍的靈敏度，迅速佔據國際領先地位；

⑶具有寬廣能量覆蓋度的宇宙線能譜和成份精確測量裝置。造就具有國際領先水平的高海拔宇宙線研究中心，對解開新世紀重大前沿科學難題之一的宇宙線起源之謎形成強有力的衝擊。

高海拔宇宙線觀測站的核心科學目標是探索高能宇宙線起源並開展相關的高能輻射、天體演化甚至於暗物質分佈等基礎科學的研究。具體科學目標如下：

⑴探索高能宇宙線起源。通過精確測量高能伽馬源寬範圍能譜，研究高能輻射源粒子的特徵，探尋銀河系內重子加速器存在的證據，在發現宇宙線源方面取得零的突破；精確測量宇宙線能譜和成分，研究宇宙線加速和傳播機制。

⑵開展全天區伽馬源掃描搜索，大量發現新伽馬源，特別是河外源，積累各種源的統計樣本，探索其高能輻射機制，包括產生強烈時變現象的機制，研究以超大質量黑洞為中心的活動星系核的演化規律，捕捉宇宙中的高能伽馬暴事例，探索其爆發機制。

⑶探尋暗物質、量子引力或洛侖茲不變性破壞等新物理現象，發現新規律。

瞄準上述科學目標，觀測站的建設目標為建成具有如下設計指標的伽馬射線和宇宙線探測裝置：對2TeV的伽馬射線源，年靈敏度達到<1.3%蟹狀星雲流強；對50TeV的伽馬射線源，年靈敏度也達到<1.2%蟹狀星雲流強；對100TeV的宇宙線，有效孔徑>4,000msr。其探測器陣列設計為四個部分：

（1）電磁粒子探測器陣列；

（2）繆子探測器陣列；

（3）水切倫科夫探測器陣列；

（4）廣角切倫科夫望遠鏡陣列。

針對探測器的特點和需求，開發了遠距時鐘在亞納秒精度上的同步技術，並把它應用於散布在方圓1.36平方公里範圍上的電子學系統，同時還實現高計數率條件下的前端信號數字化、數據傳輸、計算集群協助下的軟體事例觸發判選、以及海量數據條件下的實時在線處理等高難技術要求。

高海拔宇宙線觀測站由觀測基地和測控基地組成。通過在我國高海拔地區的廣泛選址和實地踏勘調研，本項目最終選定位於四川稻城海子山平均海拔為4410米的高地作為觀測基地，佔地面積~2040畝，並在海拔較低的稻城縣城區建立測控基地，佔地面積~20畝。與國內現有的高山站址相比，這一選址將極大改善野外台站的工作條件，確保長期工作於高原地區科研人員的生命安全，便利的交通和穩定的社會環境也有利於國際合作的順利開展。本項目的實施將是我國大科學裝置在西南地區的重要布局，高海拔宇宙線觀測站落戶四川將充分發揮西南地區天文觀測資源優勢，打造宇宙線研究和天文觀測基地，建成國際領先水平的高海拔宇宙線研究中心，對當地的科技、文化教育、旅遊以及地方經濟發展產生積極的影響。

高海拔宇宙線觀測站總體投資約12億元，包含四川省配套建設資金約3億元。項目立項后建設周期為4年，投入運行后科學壽命在20年以上。

緊扣LHAASO的科學目標，制定的總體技術方案是：分別在三個能量範圍內，採用不同的技術手段，對宇宙線粒子和伽馬射線在大氣中產生的空氣簇射（EAS）作多參數的精確測量。實現方案為

（1）建設1km電磁粒子探測器陣列和有效面積達42000m的繆子探測器陣列的設計方案（KM2A）。

（2）建設以測量簇射粒子在水中產生的切倫科夫光為探測技術的78000m探測器陣列的設計方案（WCDA）。

（3）建成18台廣角切倫科夫望遠鏡陣列（WFCTA）。

（1）地面簇射粒子陣列（KM2A）

KM2A設計為中心區半徑575m的地面粒子陣列，4901個電磁粒子探測器（ED）以間距15m呈品字形均勻排列，1171個繆子探測器（MD）以間距30m呈品字形均勻排佈於陣列中；外圍區是一個半徑處於575m-635m之間的環形區域，以間距30m共排布294個ED。

ED：用於測量EAS中的次級電磁粒子。探測介質為塑料閃爍體，通過波長位移光纖收集帶電粒子在閃爍體內產生的閃爍光，並傳導到光電倍增管（PMT），轉換為電信號進行測量。

MD：用於測量EAS中的繆子含量。基本構造是在一鋼筋混凝土罐體內置軟體水袋，水袋內裝超純水，水袋頂部中心安裝一隻8-10英寸的PMT，收集進入罐體的繆子在水中產生的切倫科夫光，轉換為電信號進行測量。

2）水切倫科夫探測器陣列（WCDA）

陣列面積為78,000m，由2個157.5m×150m和1個307.5m×100m共3個相鄰的大型水池構成，水深4.4m。每個水池分為若干個5m×5m的單元探測器，各放置一支PMT，觀測EAS中的次級粒子在水中產生的切倫科夫光，轉換為電信號進行測量。

3）廣角切倫科夫望遠鏡陣列（WFCTA）

測量高能宇宙線或高能伽馬射線通過簇射在大氣中產生的切倫科夫光或熒光。藉助望遠鏡獨有的可移動特性、通過階段性陣列布局調整、聯合KM2A、WCDA，多參數、分能段，精確測量宇宙線分成份能譜。採用多塊鏡片組成的球面反射鏡設計方案，反射光由位於焦平面的PMT陣列來收集。

中國科學院成都分院為LHAASO項目法人單位。成都分院擁有一批具有國內領先水平和國際先進水平的國家級及部省級重點實驗室、工程技術中心和野外科學台站。研究的學科範圍包括光學、電子學、機械學、材料科學、計算機科學等。在自適應光學、微電子、激光、光機電一體化、儀器儀錶、遺傳育種、脆弱生態修復、環境保護及山地災害防治等方面有較大科研開發優勢。近年來，院屬成都、重慶地區各單位緊緊圍繞國家“十二五”規劃、中國科學院“率先行動計劃”、“創新2020”等重大部署，在助力我國科技、經濟、社會發展取得了令人振奮的成績，獲得了國家、地方及院領導的一致肯定。

成都分院宇宙線研究中心作為承擔高海拔宇宙線觀測站的主體單元。宇宙線研究中心人員擁有ASγ和ARGO-YBJ兩大實驗建設和持續穩定運行等的科研和國際合作經驗。通過ARGO-YBJ探測器的大規模安裝、調試、升級和廣角切倫科夫望遠鏡的研製投放、調試，為宇宙線研究中心培養造就出了一支高素質的科研技術團隊，團隊人員已具備了大型宇宙線實驗和相關探測技術的研發、製作、安裝、調試和運行的技術和經驗。

中國科學院高能物理研究所為LHAASO項目的共建單位。高能物理研究所擁有國內最強的研發先進加速器如BEPCII的能力，有組織大型高能物理實驗如BESIII的經驗，有涵蓋核化學、光學、材料、納米、生物、製藥、考古等的高水平多學科交叉的研究中心，同時還擁有一支獨立的集科研和探測技術研發能力於一身的高能宇宙線物理研究隊伍。這支隊伍始建於上世紀五十年代初期，無論從人員結構、科研能力、基礎科研資源與條件，還是組織管理等各方面，在國內宇宙線研究領域都處於領先地位，具有無可比擬的優勢。

高海拔宇宙線觀測站將利用稻城獨特的高海拔優勢建成有多國參與合作研究的國際高海拔宇宙線研究中心，建設有強大國際競爭力、獨具特色、綜合開放的科學研究平台，與現有國際三大宇宙線研究中心（位於南美的3000平方公里極高能宇宙線AUGER實驗，南極的立方公里中微子ICECUBE實驗，歐洲的伽馬天文定點觀測CTA裝置）形成極好的互補，在國際上形成強大的吸引力。在提高伽馬射線測量的空間解析度、多手段向低閾能延伸、擴展對極高能宇宙線觀測能力等方面形成多方國際合作，在短時間內引進國內、外新的實驗。同時也為開展大氣、氣象、空間環境等多種形式的前沿科學交叉研究提供實驗平台，為國家相關科技發展需求做出重要的貢獻。

2018年6月19日，高海拔宇宙線觀測站正式開工，建設周期為5年。

四川稻城高海拔宇宙線觀測站將於2021年年內建成。

2021年5月17日，高海拔宇宙線觀測站發現首批‘拍電子伏加速器’和最高能量光子，開啟“超高能伽馬天文學”時代，該成果發布在NATURE（自然）期刊上。

2021年5月17日，中國科學院高能物理研究所、施普林格·自然出版機構在北京聯合發布：國家重大科技基礎設施“高海拔宇宙線觀測站”在銀河系內發現大量超高能宇宙加速器，並記錄到能量達1.4拍電子伏的伽馬光子（拍=千萬億），這是人類觀測到的最高能量光子，突破了人類對銀河系粒子加速的傳統認知，開啟了超高能伽馬天文學的時代。

2021年7月9日消息，高海拔宇宙線觀測站新成果：測定“標準燭光”超高能段亮度。

國家重大科技基礎設施“高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）”在銀河系內發現首批超高能宇宙加速器和最高能量光子，突破了人類對銀河系內超高能粒子加速的傳統認知，開啟了“超高能伽馬天文學”的時代。這些發現於2021年5月17日在《Nature》上發表。該研究工作由中國科學院高能物理研究所牽頭的LHAASO國際合作組完成。