本期 CPC 专辑为 LHAASO 科学白皮书。2015 年底,高海拔宇宙线观测站(LHAASO:Large High Altitude Air Shower Observatory)正式立项,它是我国以宇宙线观测研究为核心的国家重大科技基础设施。该白皮书包括七个主题,凝练了 LHAASO 的建设和探测技术和具体的科学目标:银河系内外的伽马射线源、宇宙射线起源、新物理、中微子物理、太阳和日球层物理、地球物理、大气物理的交叉学科研究。


LHAASO 的建设和探测技术


图1:LHAASO 探测器布局示意图(上)和照片(下)
占地 1.3 平方公里的 LHAASO 主要包括三个大阵列:由5216 个电磁粒子探测器(ED)和 1188 个缪子探测器(MD)交错排布组成的平方公里地面簇射粒子阵列(KM2A)、78000 平方米水切伦科夫探测器阵列(WCDA)和18 台广角切伦科夫望远镜(WFCTA),以及配套的电子学、定时、数据采集、触发判选、数据处理等功能系统和保障阵列安装、运行、维护的基地设施。
LHAASO 庞大的阵列对各项技术都提出了挑战,项目组取得多项技术创新。比如,项目组开发的远距时钟同步技术,确保了整个阵列的探测器同步精度可达亚纳秒水平。LHAASO 在高速前端信号数字化、高速数据传输、大型计算集群协助下满足多种触发模式并行的尖端技术要求。LHAASO 首次大规模使用硅光电管、超大光敏面积微通道板光电倍增管等先进探测技术,大大提高了WFCTA 的有效工作时间和 WCDA 的伽马射线探测灵敏度,不断挑战更低的探测阈能,为宇宙线和伽马射线的精确测量奠定基础(图2)。

图2:LHAASO伽马射线探测积分灵敏度和其它实验的比较
LHAASO 目前正在增建中国-俄罗斯合作研制的占地面积一万平方米的新型热中子探测阵列(ENDA),期望进一步提高LHAASO 对原初宇宙线成份区分的能力。LHAASO 也为开展大气、环境、空间天气等前沿交叉科学研究提供了重要实验平台,成为多边国际合作共同开展高水平研究的科学基地。
LHAASO 采用多种探测技术,可以大视场、全天候、宽能段、全方位、多变量、立体地测量伽马射线和宇宙线在大气层中的反应,并重建它们的基本信息。LHAASO 独特的多种探测手段、相互交叉检验的能力以及强大的伽马射线和宇宙线成份区分能力,将确保测量结果的准确性和可靠性。结合高海拔和长期稳定运行的优势,LHAASO 能够在200GeV 以上发现大量的伽马射线源,在超高能伽马射线源和宇宙线分成份能谱的研究上达到国际领先的灵敏度(图2)。
LHAASO在河内伽马射线源探测初显身手
第二章介绍了 LHAASO 在研究河内伽马射线源上的潜力。在建设阶段,LHAASO 已经发现了十几个超高能伽马射线源,它们大部分来自银河系。LHAASO还完成了对伽马射线标准烛光源“蟹状星云”从 500GeV 到 1.1PeV 的能谱测量(图3),和之前的观测结果相比,LHAASO 将伽马射线探测的能段提高了一个数量级,打开了超高能伽马射线天文学这一能量最高的电磁波探测窗口。

图3:LHAASO对蟹状星云的能谱测量以及与其它实验的比较
LHAASO未来可期LHAASO 与河外伽马射线源
第三章介绍了 LHAASO 在河外伽马射线源研究上的潜力。超高能伽马射线在传播过程中可以通过和背景低能光子相互作用产生正负电子而被吸收,来自河外高能源的超高能伽马射线流量很低。具备全天候大视场高灵敏度的特征的 WCDA 能够观测到非常弱的源,非常适合用来探测伽马射线暴等暂现源, 而对耀变体的观测可以用来研究河外背景光的性质。
LHAASO 与宇宙线起源
除了开展伽马射线天文研究,LHAASO的另外一个核心科学目标是研究宇宙线的起源。第四章总结了宇宙线研究的现状,并详细讨论了LHAASO在宇宙线分成份能谱和各向异性测量上的潜力。把几种探测阵列相结合,LHAASO可以测量从300GeV到1EeV的宇宙线的性质。与天文多波段研究相结合,LHAASO 将进一步澄清这一能区宇宙线的起源。
LHAASO与新物理、中微子物理及交叉学科
第六章主要结合中微子探测,讨论了LHAASO 在多信使物理上可能的研究课题。第七章主要讨论了利用 LHAASO 观测开展太阳和日球层物理、地球物理、大气物理的交叉学科研究。
LHAASO未来可期
LHAASO 自立项以来,国内外相关专家开始筹措出版一本科学白皮书以阐述其主要科学目标。2019 年收集了初稿,在预印本网站arXiv上发表(1905.02773)。随后LHAASO 合作组成立了出版委员会,确定白皮书的以上七个主题,经过严格的编辑评审,历时两年多编撰完成,并以 CPC 专辑的形式于 2021 年底在线发表。

图4:2019年4月Benedetto D’Ettorre Piazzoli(左)和曹臻(右)在LHAASO建设工地(Silvia Vernetto供图)
需要特别指出的是在白皮书定稿阶段,LHAASO 合作组顾问那不勒斯大学教授 Benedetto D’Ettorre Piazzoli(图4)认真审阅了各个章节,特别是对第四章的内容做了系统的整理。不幸的是他在 2022 年 2 月 7 日突然病逝,这是 LHAASO 合作组和国际粒子天体物理领域的重大损失。他严谨的治学态度感染了合作组的很多同事,相信在接下来的十余年中 LHAASO 将不断取得重大科学成果。