高海拔宇宙线观测站(Large High Altitude Air Shower Observatory,简称:LHAASO)是以宇宙线观测研究为核心的国家重大科技基础设施, 2015年12月31日获得国家发改委批准立项。2017年6月主体工程动工建设,2021年7月全阵列建设完成。2023年5月10日,通过国家验收。
【科学目标】LHAASO的核心科学目标是探索高能宇宙线起源以及相关的宇宙演化、高能天体演化和暗物质的研究。具体的科学目标是:
(1) 探索高能宇宙线起源。通过精确测量高能伽马源宽范围能谱,研究高能辐射源粒子的特征,探寻银河系内重子加速器存在的证据,在发现宇宙线源方面取得零的突破;精确测量宇宙线能谱和成分,研究宇宙线加速和传播机制。
(2) 开展全天区伽马源扫描搜索,大量发现新伽马源,特别是河外源,积累各种源的统计样本,探索其高能辐射机制,包括产生强烈时变现象的机制,研究以超大质量黑洞为中心的活动星系核的演化规律,捕捉宇宙中的高能伽马暴事例,探索其爆发机制。
(3) 探寻暗物质、量子引力或洛仑兹不变性破坏等新物理现象,发现新规律。
【总体技术方案】为提高探测灵敏度,LHAASO将建设成由多种探测手段组成的复合式地面粒子探测器阵列,并充分发挥高海拔和大规模的探测面积的优势。具体方案见“技术方案”部分。
【建设地点】本观测站位于四川省稻城县海子山,占地面积达1.36平方公里(2040亩),海拔为4410米,距稻城亚丁机场10公里,成都708公里。
【装置建设目标】通过LHAASO的建设,力求在科学前沿和探测技术两方面实现重要突破:
(1)瞄准宇宙线起源这一世纪难题,抓住机遇,争取实现突破;
(2)充分利用站址的高海拔优势,实现在伽马天文观测和宇宙线实验中的三个世界第一:在高能端以最高灵敏度探测伽马射线、对TeV能段的伽马射线源有最强的巡天扫描搜索能力、对宇宙线的能谱测量将覆盖最宽广的能量范围。
【总体科学技术方案 】
紧扣LHAASO的科学目标,制定的总体技术方案是:分别在三个能量范围内,采用不同的技术手段,对宇宙线粒子和伽马射线在大气中产生的空气簇射(EAS)作多参数的精确测量。实现方案为:
(1)建设1km2 电磁粒子探测器阵列和有效面积达42000m2 的缪子探测器阵列的设计方案(KM2A)。
(2)建设以测量簇射粒子在水中产生的切伦科夫光为探测技术的78000m2探测器阵列的设计方案(WCDA)。
(3)建成18台广角切伦科夫望远镜阵列(WFCTA)。
【系统构成及建设内容】
(1)地面簇射粒子阵列(KM2A)
KM2A设计为中心区半径575m 的地面粒子阵列,5216个电磁粒子探测器(ED)以间距15m呈品字形均匀排列,1188个缪子探测器(MD)以间距30m呈品字形均匀排布于阵列中;外围区是一个半径处于575m-635m之间的环形区域,以间距30m共排布294个ED。下面效果图中:遍布整个阵列的ED如图中小黄色方块所示,而MD如图中的绿色凸起所示。
ED:用于测量EAS中的次级电磁粒子。探测介质为塑料闪烁体,通过波长位移光纤收集带电粒子在闪烁体内产生的闪烁光,并传导到光电倍增管(PMT),转换为电信号进行测量。
MD:用于测量EAS中的缪子含量。基本构造是在一钢筋混凝土罐体内置软体水袋,水袋内装超纯水,水袋顶部中心安装一只8-10英寸的PMT,收集进入罐体的缪子在水中产生的切伦科夫光,转换为电信号进行测量。
(2)水切伦科夫探测器阵列(WCDA)
阵列面积为78,000 m2,由2个157.5m′150m和1个307.5m′100m 共3个相邻的大型水池构成,水深4.4m。每个水池分为若干个5m×5m的单元探测器,各放置一支PMT,观测EAS中的次级粒子在水中产生的切伦科夫光,转换为电信号进行测量。
(3)广角切伦科夫望远镜阵列(WFCTA)
测量高能宇宙线或高能伽马射线通过簇射在大气中产生的切伦科夫光或荧光。借助望远镜独有的可移动特性、通过阶段性阵列布局调整、联合KM2A、WCDA,多参数、分能段,精确测量宇宙线分成份能谱。采用多块镜片组成的球面反射镜设计方案,反射光由位于焦平面的PMT阵列来收集。