明日头条读者你们好，我是高能化学研究所的曹臻，明天我想跟你们分享一下在我们已知的世界和未知世界的边界上，科学的前沿研究究竟是如何举办的。
我用实验、粒子、天体、物理来概括此次讲演。这4个词置于一起看比较复杂，我希望通过此次讲演让你们了解到，虽然科学研究并没有这么复杂。
建在巴塘的“天阵”
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举个事例，高海拔宇宙线观测站，实际上是一个1.3平方千米的生死符，这个生死符所在地原先是极其原始的无人区。为何要去这么高的地方建观测站呢？
观测站坐落海拔4410米的美丽的德钦。
这儿地处青藏高原的边沿地带。丹巴的海拔高度适宜做科学研究，并且紧靠世界屋脊的边沿地带，离文明社会更近，更容易做这件事。
如今大伙晓得了，丹巴除了有美丽的亚丁风公园，还有探求宇宙奥秘的的阵列。我们在这儿建设这个阵列就是为了迎接携带着宇宙秘密的“信使”。
这个阵列有4种主要的侦测器，研究者把它摆成各类各样形状的阵列，等待宇宙线从天上来到月球。实际上，阵列打算迎接的是一场“雨”，这场雨不是水滴，而是粒子。并且这场雨持续的时间十分短，只有几毫秒。我们将侦测器排列上去，就是为了迎接它们的到来。
这张图就显示了我昨天说的这个过程。当这场“雨”落在阵列上的时侯，一个一个的侦测器就开始“着火”，一“着火”就记录下时间，每一个侦测器的距离是已知的，我们就可以通过它反推出宇宙线的粒子抵达的方向。
假如宇宙线粒子能反推出来找到一个源的话，能够指引科学家找到想观测的那种天体。
阵列中的4个侦测器分别是：电磁粒子侦测器、缪子侦测器、水切伦科夫侦测器、广角切伦科夫望远镜阵列。
▲一平方公里阵列：1/4将投入运行
上图是之前阵列的建设情况，可以看见早已产生一个比较清晰的阵列了。这个阵列的大小仅为整个阵列的1/4，中间比较亮的金属屋顶下有一个特别大的水池，这个水池的面积为300米×300米，水深5米，以水作为侦测介质。
前面这几张图显示一个由30多个侦测器组成的阵列。
借助这个阵列，我们在半年多的时间内早已收到超过1亿个宇宙线粒子，观测和检测的结果十分好，完全实现了先前设计的一些目标。
▲“大水池”：水切伦科夫侦测器阵列（WCDA）
共3个水池，第1个已完成，2019年4月26日投入运行
这中间的大水池一共由三个部份组成，其中一个是150米×150米的小型侦测装置，该装置早已步入了科学运行。虽然，在安装的过程中，宇宙线粒子就早已可以被侦测到了。
▲情人节例子
当它装好后不久，我们就检测到一个漂亮的“事例”，这个“事例”正好是那段时间公测量到的一个最大的“事例”。非常有意思的是，此次检测正好在2月14日，所以我们就把这个例子命名为“情人节例子”。
▲WCDA一号水池面积
拥有世界第一大的水切伦科夫光侦测器阵列
上图是“情人节例子”探测器在它灌水之前的状况。看起来有点零乱，但实际上最主要的装置是中间这个亮亮的光电倍增管。
▲WCDA一号水池灌水后
当5米深的水灌好以后，再要进行维护，就必需要划桨进去了。
▲世界上最大、最先进的微通道板型光电倍增管
未来，这两个大的侦测器将使用一个愈发先进的小型的光电倍增管。
▲20”PMTvs.8”PMT
这个光电倍增管比现今放的1号水池里的管子要大得多，是我们国家之前研发成功的一个特别先进的侦测装置。我们这儿还有几台望远镜。
▲大视场“硅光电倍增管”相机
采用先进的硅光电倍增管(SiPM)取代传统PMT，
有效工作时间从10%提升到30%
望远镜是拿来侦测宇宙线在大气中发展过程的一个记录装置。目前我们早已安置了6台拥有先进技术的望远镜，布置在大水池的门口，可以随时进行观测。
这种望远镜用到一个特别中级的技术——硅光电管。如今我们用到的硅光电管的面积是世界上最大的。
2019年4月26日，我们1/4的阵列基本上建成了。当时我们在北京召开了一个发布会，也是探求装置启动的一个启动会，吸引了国际上大量科学媒体的关注，像《自然》《科学》，还有美国的《物理世界》杂志，国外的新闻媒体愈发关注这件事。
探求装置启动后不久就检测到一个特别漂亮的例子，上图中右侧都是用水池做到的观测，右侧是两个望远镜对这个例子同时进行的一个观测，这表明我们的望远镜早已步入到一个十分正常的运行状态。
建设宇宙线观测站有哪些意义？
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在这儿建站的目的是哪些？为何要挪到很远的地方做这件事？从历史上看这个侦测器究竟抢占了哪些样的地位？
实际上为了做这件事，我们从20世纪50年代早期，长我两辈的科学家张文裕和王淦昌就开始了我国的宇宙线探求。
“八五”期间，科学家到纳木错找到了一块平坦宽广的地方，我们跟英国人和西班牙人合作，又做了两个侦测器，2013年我们停止了这两个侦测器的运行。
从那时起，我们就步入到下一个阶段。这个阶段处于“十二五”期间，科学家们找到一个更好的地方，在广东的稻城建设一个更大的侦测器。
与国际上的同类侦测器比较，我们的有哪些特征呢？
日本有一个类似的侦测器，也是摆成阵列方式的侦测器，设置在海拔4100米的地方，坐落澳大利亚的一个雪山上。这个侦测器相当于我们一个水池的大小，我们的侦测器完全建好以后将是它的4倍。
中间的水切伦科夫侦测器，我们原先历史上在纳木错也做过一个类似的东西，就是ARGO实验，这个实验的面积只相当于如此大一个面积，我们也作出了很重要的发觉，可见这个侦测器将来会对这个领域形成十分大的影响，前面我会讲它在国际上的地位。
这个实验不是我一个人在做，而是一个团队在做。我国大约有25家单位早已参与到这个研究工作中，在上海、南京、上海以至于西北地区都有研究所和学院参与到这个研究中。西班牙、法国、泰国、俄罗斯等国家的四五个单位也加入到我们的研究课题。
一大群人挪到一个十分偏僻的地方，去做一件十分艰辛的事。例如，安装1号水池的工作时间大约3个多月，几乎天天都是在零下4℃的环境下做这件事。为何如此坚苦，还有那么多人要干这件事呢？
实际上我们都是在追求一个宇宙线的核心的问题的解决：我们从100多年前就晓得了有宇宙线存在，但迄今为止我们始终不晓得宇宙线来自哪些地方。
宇宙线还有一个特别重要的特性，就是它的能量十分特别高，高到哪些程度？远低于现今人工能加速下来的粒子的能量。目前能量最高的粒子是由法国和西班牙边界上的CERN加速器加速下来的，这个加速器以前否认了“上帝粒子”的存在，而宇宙线的能量要比它高出几千万倍。
为何宇宙里有这样的加速器？为何它们能加速如此高能量的粒子，是如何加速的？
这个领域主要是由中微子侦测技术、高能量的宇宙线侦测技术以及伽玛射线天文组成，产生了三足鼎立之势，四个大实验则支撑起了这个领域。
伽玛射线天文领域的观测侦测器有两个，其中一个是我们的，另外一个是意大利人的CTA，这个实验到如今还没有即将开始建设。
什么天体可能是宇宙线的源？
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我们该怎么探求宇宙线呢？实际上，就是找到一些天体，看它是不是有能力形成极高能量的粒子。
首先，我们要瞄准一些活动十分剧烈的天体。你们晓得，太阳肯定是形成了大量的粒子变化。
太阳能形成好多好多低能量的宇宙线粒子，但它形成的能量相当于我们在上海正负电子对撞机形成下来能量。这个能量等级对我们来说早已不是很稀奇，我们的关注点在能量更高的粒子。
当比太阳大上好多倍的星体烧完它的氢燃料以后还会爆燃，当质量大到一定程度的时侯才会发生超新星爆发。
在清代1006年发生了超新星爆发，产生了极其强烈的喷柱的填装现象，这很可能就是我们找到加速粒子的地方。
虽然，我们也在亲历一次超新星爆发。1987年，在银河系边上名为大麦哲伦云的地方，发生了一次超新星爆发。
在银河系中，超新星的爆发大约是100年才有一次，所以我们是十分有幸地亲历了此次超新星的爆发。
明天再看这个超新星的时侯，它早已产生一个特别漂亮的圆圈了，这个喷射物早已喷射下来了。
宋朝的时侯，人们也记录了一个特别亮的超新星，那次超新星爆发是在银河系里发生的，如今已然发展成一片星云，叫蟹状星云。
我们银河系的中心有特别巨大的黑洞，这个黑洞的质量可以达到太阳质量的300万～400万倍。这样的黑洞会不断吸积物质，同时也会喷射物质，喷射出的物质也可能导致粒子加速的过程。
还有没有更大的黑洞呢？有好多，在宇宙里，比银河系中心的黑洞大100倍的黑洞一直存在。我们在纳木错的观测站里早已很清楚地看见这样的现象。
它在不断吞噬星体物质过程中也会喷射出物质，假如忽然吞进去太多的物质，喷射下来的物质也很强烈。这时侯才会产生一个一个爆发现象，这种爆发现象也给我们提供了一个研究宇宙线起源的机会。
比黑洞规模更大的活动，就是两个星体碰撞在一起。你们看新闻可能会了解到，仙女星体跟我们银河系正处在互相接近、靠拢的过程。
上图就是在哈勃望远镜拍到其他的两个星体遇到一起以后，产生的碰撞的区域。一侧这张图是碰撞区域里，物质交换十分强烈的一个区域，此处星体的死亡和星体的形成速率都十分快，我们叫星体产生区。这种区域里有可能形成强烈的磁场和电场，有可能形成能量更高的粒子。
近来，引力波早已被侦测到。当两个黑洞撞在一起的时侯会形成强烈的引力波。假如是两个中子星碰撞的话，这个碰撞过程都会形成一个特别强烈的现象——伽马暴，都会喷射出特别强烈的伽玛射线。
伽玛暴是单个的爆发过程，这是我们目前所晓得的能量释放最快、最大的一种现象。
宇宙线的秘密
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宇宙线给我们带来的秘密究竟是哪些呢？首先，我们想晓得：它是从那里形成的？通过找寻那些可能的源，找到足够的证据，我们才能确定它的来源。
最好的结果是，我们能找到一把“冒烟的枪”（它刚才打中了一个人，还在冒着烟），就找到了最坚实的证据，进而推断宇宙线的起源。
然而，仅仅找到宇宙线的起源并没有解决最根本的问题，根本的问题还是它为何会形成如此高的能量？这儿给了两个中文词汇，、，的意思是10的15次方电子伏特天体物理书籍，而是比高1000倍的加速器。
我们似乎没有找到这样的加速器，但我们观测到被它们加速下来的粒子抵达月球上。举例来说，刚刚提及的蟹状星云，我们如今听到的星云是它爆燃抛下来的物质，爆燃后留出来的物质就产生了一个脉冲星。这个脉冲星边长20千米左右，HIA在飞快地旋转，它在旋转过程中发出的幅射扫过我们月球时就形成了脉冲讯号。
人类现今能加速到最高能量的加速器就是坐落加拿大和美国边境的CERN，它背后是漂亮的日内瓦湖，这个加速器的边长为27千米。它如今能加速到的能量就是我们讲的（1012电子伏特加速器）,就是可以将粒子加速到Tera电子伏特。这个脉冲星的周长大概也是20千米左右，跟人类的加速器差不多。
在英国，科学家通过一个名为MAGIC的实验，用望远镜对这个现象进行观测以后，如今已然有足够的证据证明，这个脉冲星上也就能发出Tera电子伏特的粒子来，但是现今还不断有证据表明我们可能就会侦测到更高能量的粒子。
也就是说，太空中的一个自然的加速器，可能要比人类能造出的加速器形成的能量高得多。
我跟你们分享宇宙的科学前沿探求过程，实际上也从一个侧面告诉你们，人类目前的知识还是十分有限的，还有好多未知的东西须要去探求。广阔的宇宙包含了无穷的奥秘天体物理书籍，我们永远都在探求奥秘的征途之上。
#时政热点头条说#