科研基地

西藏羊八井国际宇宙线观测站简介

发布时间：2016年10月18日 10:14 点击量：次

一．西藏羊八井国际宇宙线观测站概况
西藏羊八井国际宇宙线观测站(简称羊八井观测站)地处海拔4300米的高原,由于其能源、交通、通讯的便利,以及EAS在此发展到极大可进行精确测量等的优势,是世界上高海拔宇宙线观测站的最佳站址, 是北半球最高、世界第二高的宇宙线观测站，也是高海拔地面站中，规模最大、最有前景的一个。在国际宇宙线观测研究领域占有重要地位。羊八井观测站以大型地面探测阵列为平台,利用宇宙线观测结果展开对宇宙线起源问题、宇宙和高能天体演化规律等重大科学难题的研究,尤其是对困扰人们近百年的高能宇宙线起源问题的研究,以及对大气物理、空间环境等相关交叉学科进行研究。观测站现占地200余亩。

    该站1995年被美国《科学》杂志列为中国的25个科研基地之一，2002年被国家科技部列入首批25个野外试点台站之一。参与羊八井国际宇宙线观测站实验的国内单位有：中科院高能所、西藏大学、山东大学、西南交通大学、云南大学、郑州大学、河北师大、中科院大气所、中科院国家天文台、中科院紫金山天文台、中科院空间中心、国家气象局、国家地震局等12个单位，在国内外均有很高的知名度。
二. 西藏羊八井国际宇宙线观测站主要实验装置
1、中日合作ASγ实验
    中日合作ASγ实验建成于1990年，科学目标是宇宙线能谱“膝”区物理研究。实验通过采样式的塑料闪烁体探测器阵列获取次级粒子横向分布的信息，最终得到原初粒子的能量、方向等几何信息。
    中日合作ASγ阵列最初只有45个野外探测器，从实验建成开始，ASγ通过3次扩展加密和一次升级改造来提升阵列的物理指标：1994年扩建ASγ二期阵列，野外探测器增至221个，覆盖36 900m²；1996年又在其中的5 000m²地面增加了77个探测器，使这里的探测器间距缩小至7.5m，从而将探测阈能降至国际同类设备的最低值3TeV（1TeV=10¹²eV）；1999年又增加了255个野外探测器，将阵列作了全面加密，2000年和2002年又分别增加了133个测定粒子密度的探头和180个快时间探测器，使得ASγ三期阵列一共拥有了733个野外探测器，加密区的面积达到32 500m²。2011-2012年，中日合作ASγ进行了大规模的升级改造，重点建设了4500m²的地下μ子探测器，升级后的实验是目前国际上灵敏度最高的伽马射线望远镜。
    其间，为了测定超高能宇宙线的成分，1996年在阵列中心建造了80m²的高山乳胶室及配套的地方簇射探测器。目前,中日ASγ阵列探测取样比约为1%，平均每秒记录1 700个（每天16GB）空气簇射事例。

    经过近30年稳定运行，ASγ在膝区能谱测量、大尺度各向异性、γ天文稳定源的暂态爆发（Mrk421和Mrk501）、太阳物理等方面取得了多项重要成果： (1)、首度观测到宇宙线太阳阴影被地球磁场偏离的事实,并证明它可能会成为监测太阳活动变化的一种新方法;(2)、在国际现存的地面阵列中,第一个观测到蟹状星云的γ发射和活动星系核Mrk501、Mrk421的γ爆发;(3)、获取了第一个超高能宇宙线质子谱和有关成分的结果,攻克了困扰国际学术界40多年的“老大难”问题——“膝区”物理研究,并被认为是目前最权威的结果; (4)、率先测量了宇宙线到达方向的各向异性,发现了宇宙线等离子体与太阳系一起绕银河中心共转的事实。（5）、首次利用10TeV宇宙线流强“太阳阴影”效应成功评价太阳日冕磁场模型。
    2012-2013年中日合作ASγ实验在取得国际一流成果的同时，对实验进行了大规模升级，主要包括4500m2地下缪子探测器（Muon Detector, MD）和124台空气簇射轴心探测器（Yangbajing Air Shower Core Detector, YAC）建设，西藏大学全程参与了这一实验的工程建设、探测器安装和调试运行，并投入了一定的建设经费，目前实验已稳定运行并持续取数。MD阵列建设的主要目的是彻底解决原ASγ实验的最致命弱点，即：γ射线（电子）和宇宙线本底，以其在100TeV以上能区成为国际上最灵敏的实验。在近百TeV的能区，原初宇宙线核子可以产生大量的μ子，μ子的数量和原初宇宙线的能量几乎成正比，而原初γ射线（电子）却只能产生很少的μ子，通过μ子数量的测量可以有效地鉴别原初粒子是γ射线（电子）还是宇宙线核子。基于2007年建造于羊八井的100平方米的原型探测器，根据MC模拟，实验组经过改进的实验将在100TeV以上能区成为国际上探测γ最灵敏的实验。尽管理论上认为超新星遗迹是产生PeV宇宙线强子的最合理的贡献者，但迄今多家实验并没有提供直接的证据，因此10~1000TeV γ天文研究的对于给问题的回答将具有重要意义。这些改善无疑将为回答宇宙线的起源、加速和传播问题提供新的信息。此外，升级改进后的羊八井ASγ实验预计将在弥散γ射线观测，在电子能谱的测量，在暗物质粒子的间接寻找方面发挥有益的作用。10TeV以下能区的宇宙线电子能谱和各向异性的测量工作已经由ATIC、FERMI等实验给出。升级后的羊八井ASγ实验将在100TeV以上能区成为国际最好的电子望远镜，在此能区将可以测量好的电子谱。高能宇宙线电子的来源也很多，可以是原初的，也可能是次级的。在羊八井ASγ实验中，高能电子的簇射事例可以和大量的宇宙线本底区分开来，但不能和γ射线的事例区分开来，通常弥散的γ射线来自银河系的银盘，或附近的分子云区域，因而通过这些区域的划分，羊八井ASγ实验有望测量到相关的弥散γ或电子的流强，能谱和大尺度的各向异性。暗物质粒子没有电磁相互作用，除了引力效应而外，我们不知道他们的其他性质。但根据宇宙学和粒子物理的研究，暗物质粒子很可能是那种可以被超对称模型所描述“弱相互作用重粒子”（WIMP），这些粒子自身或和重子物质之间有比较弱的相互作用，可以通过湮灭或衰变生成高能的γ射线，或电子等，从而被观测到。由于羊八井ASγ实验在10-100TeV以上能区有较好的能量分辨率，如果信号足够强，我们将可以通过能谱的测量在统计上把暗物质粒子的信号找出来。与已有的其它各类实验相比，在10TeV以上能区，羊八井ASγ实验将是通过γ射线探测暗物质粒子的最好的实验，因此，羊八井ASγ实验找到暗物质粒子或给出更好的对暗物质模型的参数空间的限制。
    YAC阵列建设的主要目的利用空气簇射轴芯探测器124台YAC阵列，记录“膝区”宇宙线空气簇射芯区的高能电磁成分，使之与外围的广延大气簇射阵列 (EAS)，以及地下MD 阵列相联合运行, 利用这三种复合式探测器阵列的联合实验, 来求得50 TeV-10¹⁶eV 的高精度的原初质子，氦的单一成分能谱，特别是精确地求出原初质子谱，氦能谱的‘膝’的位置及其能谱的斜率，来验证超新星冲击波加速模型理论和银河系刚度切割的传播模型理论，从而率先获得膝区质子及其它原子核成分的起源，加速及传播证据。
2、中意合作ARGO实验简介
    中意合作全覆盖式探测阵列ARGO实验于2006年最终建成并开始运行。实验大厅总面积为11200m²。ARGO探测器由一个安装在一万平方米实验厅5000m²的中心“地毯”和一个外围保护圈组成，共用18363.5m²的RPC探测器，拥有18360个快时间和粒子数信号通道，近2 000个微电子学插件，153个电子学子站和一个数据采集中心站。全部运行时其EAS触发率可达3 500Hz，日产原始数据630GB，是迄今非加速器物理实验中数据量最高的一家。用于运行状态监测的数据和EAS原始数据，通过155Mbps的宽带网实时传往北京；负责实验运行的工作人员也可以通过宽带网从北京对羊八井现场的所有计算机进行操作。
    ARGO实验从2006年6月开始运行以来，积累了近7 000亿个宇宙线事例，现已取得多项物理成果。随着实验数据分析工作的进一步深入，相信还有更多重要的物理成果会产生。近年来取得的重要成果：（1）、对活动星系核的TeV辐射实现了长期连续的多波段观测，与空间X-ray卫星联合研究，为揭示其TeV伽玛辐射产生机制提供了重要证据；（2）、首次测量质子在质心能500GeV附近的强相互作用截面，测量结果于2012年被国际粒子物理手册收录成为国际标准参数；（3）、ARGO-YBJ实验利用4年的探测结果证认了Milagro实验发现的γ源MGRO1908+06是为脉冲星云遗迹PSR1907+0602稳定的TeV能段的辐射。发现北半球疑似宇宙线源天体的新奇特性；（4）、2013年利用ARGO-YBJ实验首次完成了全天区的扫描，证认了四个已有的γ射线源，并且给出全天区90%的发现置信水平；（5）、研究了宇宙线各向异性的能量依赖和周期分布特征、长时期的调制效应、各向异性随时间的稳定性分布；发展和改进了宇宙线大尺度各向异性分析方法。
3、中德亚毫米波望远镜
    中德亚毫米波望远镜项目由中国科学院国家天文台联合国内多家单位与德国科隆大学共同合作，将KOSMA（已更名为CCOSMA）3米口径亚毫米波望远镜从瑞士阿尔卑斯山Gornergrat技术拆移到中国西藏海拔4300米的羊八井。

    2010年至2011年完成了望远镜技术拆移安装工作，并建成国家天文台在西藏的第一个专业天文台站羊八井站。2012年实现接收机超导制冷至4.5K并成功实现接收机和频谱仪的实验出光。2013年完成电控系统等的升级改造工作。2014年升级修改和调试完成所有相关软硬件，并成功“开光”。2016年通过验收
利用该望远镜可探测高频分子谱线，研究深埋于星际气体及尘埃中的天体，研究恒星的形成过程。同时也将在北天银道面亚毫米波分子谱线的巡天中发挥它的优势。这是中国第一架可进行常规天文观测的米级亚毫米波望远镜，也是目前北半球台址海拔最高的亚毫米波望远镜。
4、西藏大学实验阵列
    西藏大学相关人员在参与中日合作空气簇射（ASγ）宇宙线实验、中意合作天体物理地基观测研究（ARGO）实验、中德亚毫米波望远镜项目基础上，独立开展部分相关科学研究工作，目前由西藏大学宇宙线教育部重点实验室科研人员自主研制科研仪器主要包括：（1）100单元0.5m闪烁探测器组成的传统的多点取样阵列；（2）直径0.9m的超广角切伦科夫望远镜样机系统；（3）用于测量高能γ暴，探测体积为200m3的水探测器；（4）80m²的水切伦科夫探测器地面阵列。
三.前景展望
    西藏羊八井国际宇宙线观测站定位在宇宙线物理和天体粒子物理的基础性研究。同时，也开始关注宇宙线的环境属性，并努力向能够对航天活动与一些灾害性事件提供预报的公益性方向发展。西藏大学等相关单位正配合中科院正积极组织力量开展调研和规划，把羊八井观测站建成为一个以宇宙线为探针研究日地空间环境以及从事多学科交叉研究的实验平台和培养人才的基地。来自中科院大气所、寒旱所以及德国的气象、雷电、云量监测仪器已在站上投入观测，计划以寻找宇宙线强度与中低空云量变化（因而地面温度变化）间的联系以及大EAS与雷云的生成、闪电的触发之间的联系为切入点开始太阳活动及地球环境变化的监测研究。