羊八井觀測(cè)站工作人員與參觀團(tuán)在ARGO實(shí)驗(yàn)廳前合影

　　ASγ 陣列局部

　　ARGO 廳內(nèi)的“地毯” 中國(guó)科學(xué)院高能物理所供圖

　　宇宙線是來(lái)自宇宙深處的高能粒子流，它攜帶著宏觀宇宙、微觀世界和空間環(huán)境的科學(xué)信息，聯(lián)系著宇宙的歷史、天體的演化、空間的環(huán)境和許多未解的科學(xué)之謎。

　　為避免大氣層對(duì)宇宙線的過(guò)度衰減，高山站一直是宇宙線研究的重要基地。早期的宇宙線研究中，人們發(fā)現(xiàn)了眾多的基本粒子及新的相互作用。中科院高能物理所西藏羊八井宇宙線國(guó)家野外觀測(cè)研究站（以下簡(jiǎn)稱羊八井觀測(cè)站）地處海拔4300米的高原，在國(guó)際宇宙線觀測(cè)研究領(lǐng)域占有重要地位。

　　承載科研使命 

　　研究人員告訴記者，宇宙線能量越高、數(shù)量就越稀少，致使尺度很小的空間探測(cè)器難以捕捉，因此，用大型地面探測(cè)陣列來(lái)間接觀測(cè)宇宙線就成為必然，用這種方法科學(xué)家能觀測(cè)到高能宇宙線在地球大氣層中引發(fā)的大規(guī)模粒子產(chǎn)生和增殖現(xiàn)象，即廣延大氣簇射（EAS）。

　　按觀測(cè)站的建立地點(diǎn)來(lái)分類的話，科學(xué)家們觀測(cè)宇宙線的方式主要有三種，即：空間觀測(cè)、地面觀測(cè)、地下（或水下）觀測(cè)。 為了有效和長(zhǎng)期對(duì)宇宙射線進(jìn)行觀測(cè)，各國(guó)相繼建立了觀測(cè)站。

　　1943年，前蘇聯(lián)在亞美尼亞建立了海拔3200米的阿拉嘎茲高山站；日本在戰(zhàn)后建立了海拔2770米的乘鞍山觀測(cè)所；1954年我國(guó)建立了海拔3200米的云南東川站。1990年，中日雙方共同合作建立了羊八井觀測(cè)站。

　　“羊八井觀測(cè)站擁有高海拔優(yōu)勢(shì)，EAS可以在此進(jìn)行精確測(cè)量?！毖虬司^測(cè)站早期建設(shè)者、中科院高能物理所研究員譚有恒告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者。

　　羊八井觀測(cè)站以大型地面探測(cè)陣列為平臺(tái)，利用宇宙線觀測(cè)結(jié)果展開(kāi)對(duì)宇宙線起源問(wèn)題、宇宙和高能天體演化規(guī)律等重大科學(xué)難題的研究。

　　據(jù)譚有恒介紹，羊八井觀測(cè)站不僅可進(jìn)行天體和粒子方面的基礎(chǔ)研究，也可以利用宇宙線作為太陽(yáng)活動(dòng)和地球“空間天氣”的“晴雨表”特征，為航天安全和地球環(huán)境保護(hù)服務(wù)。

　　隨著這些年的升級(jí)改造，羊八井觀測(cè)站的設(shè)備可以為天體、空間、粒子、太陽(yáng)及環(huán)境方面的學(xué)者提供研究條件。譚有恒說(shuō)：“羊八井地區(qū)的海拔高度和位置對(duì)大氣、地球物理、云雨雷電的研究及太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)示范活動(dòng)頗為有利?！?/p>

　　開(kāi)闊的地形和宜居環(huán)境使羊八井具有較大容納度和發(fā)展空間，特殊的自然條件及地區(qū)建設(shè)的突飛猛進(jìn)，使羊八井具備了接納、建設(shè)和長(zhǎng)期維持大規(guī)模、高技術(shù)設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)代化、全球化實(shí)驗(yàn)的條件。

　　兩項(xiàng)國(guó)際實(shí)驗(yàn) 

　　現(xiàn)在，羊八井觀測(cè)站開(kāi)展了中日合作空氣簇射（ASγ）宇宙線實(shí)驗(yàn)、中意合作天體物理地基觀測(cè)研究（ARGO-YBJ）實(shí)驗(yàn)兩個(gè)大型國(guó)際合作項(xiàng)目，科研人員可在此同時(shí)開(kāi)展氣候、空間天氣等方面的研究。

　　1988年，中日合作ASγ陣列實(shí)驗(yàn)在羊八井展開(kāi)，1990年建成中日合作羊八井一期陣列。譚有恒說(shuō)：“羊八井一期實(shí)驗(yàn)的成果向國(guó)人和世界顯示了羊八井站址的科學(xué)價(jià)值和巨大的物理潛能?！?/p>

　　隨后，專家們把研究方向瞄準(zhǔn)地面宇宙線實(shí)驗(yàn)四個(gè)重大課題中的三項(xiàng)，即膝區(qū)物理、γ天文和利用宇宙線對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)和日地環(huán)境的監(jiān)測(cè)研究，來(lái)抓羊八井二期實(shí)驗(yàn)建設(shè)。

　　中日合作ASγ陣列實(shí)驗(yàn)的科學(xué)目標(biāo)是宇宙線能譜“膝區(qū)”物理研究。實(shí)驗(yàn)通過(guò)采樣式的塑料閃爍體探測(cè)器陣列獲取次級(jí)粒子橫向分布的信息，由此得到原初粒子的方向等信息以及所攜帶的能量。

　　中科院高能物理所研究員胡紅波說(shuō)：“在ASγ實(shí)驗(yàn)中，我們可以測(cè)量高能宇宙射線在不同方向上僅千分之一的強(qiáng)度差別。在甚高能情況下，由于測(cè)量到的差別大大減小，可以得出銀河宇宙線整體上隨環(huán)境繞銀心共轉(zhuǎn)的結(jié)論?！?/p>

　　中意合作全覆蓋式探測(cè)陣列ARGO-YBJ實(shí)驗(yàn)于2006年建成并開(kāi)始運(yùn)行。ARGO-YBJ實(shí)驗(yàn)大廳總面積為11200平方米，由輕質(zhì)、高保溫的聚氨酯彩鋼夾芯板為基本建筑材料，在不使用空調(diào)的情況下，可有效抑制海拔地區(qū)較大的晝夜溫差對(duì)室內(nèi)溫度影響，以保證探測(cè)器長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。

　　ARGO-YBJ實(shí)驗(yàn)的中方發(fā)言人、中科院高能物理所研究員曹臻介紹，ARGO-YBJ探測(cè)器由一個(gè)安裝在上萬(wàn)平方米的實(shí)驗(yàn)廳的5700平方米中心“地毯”和一個(gè)2500平方米的外圍保護(hù)圈組成，是迄今非加速器物理實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)量最高的實(shí)驗(yàn)裝置之一。ARGO-YBJ探測(cè)器用于運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)和觀測(cè)原始數(shù)據(jù)，通過(guò)寬帶實(shí)時(shí)傳往北京，來(lái)自北京的遠(yuǎn)程操作命令也可通過(guò)寬帶送達(dá)現(xiàn)場(chǎng)的控制系統(tǒng)。

　　2008年，由我國(guó)自主研制的兩臺(tái)廣角契倫科夫望遠(yuǎn)鏡在羊八井觀測(cè)站通過(guò)安裝測(cè)試。目前，兩臺(tái)樣機(jī)已經(jīng)與ARGO-YBJ聯(lián)合觀測(cè)并獲取重要的宇宙線物理結(jié)果，測(cè)量了宇宙線氫、氦混合能譜的“膝”，發(fā)現(xiàn)其能量明顯低于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)如德國(guó)的KASCADE實(shí)驗(yàn)結(jié)果。據(jù)曹臻介紹，ARGO-YBJ還完成了監(jiān)測(cè)宇宙線隨太陽(yáng)活動(dòng)的變化，研究其長(zhǎng)周期變化與地球環(huán)境變化的關(guān)聯(lián)。

　　交叉學(xué)科貢獻(xiàn) 

　　譚有恒指出，在交叉學(xué)科研究中，羊八井觀測(cè)站表現(xiàn)出了得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

　　首先，科研人員在羊八井觀測(cè)站可利用多種天文波段和實(shí)驗(yàn)手段的幫助，在天文、粒子物理、宇宙學(xué)的配合下，共同開(kāi)展宇宙線和粒子天體物理前沿課題的研究；其次，觀測(cè)站獲得的世界一流的宇宙線觀測(cè)數(shù)據(jù)，可供其他學(xué)科領(lǐng)域進(jìn)行相關(guān)研究，進(jìn)而獲得重要的科研或應(yīng)用成果。此外，羊八井平臺(tái)進(jìn)行的交叉學(xué)科研究，有助于建立一支高水平的交叉學(xué)科科研團(tuán)隊(duì)，并進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)交叉學(xué)科研究的發(fā)展。

　　羊八井觀測(cè)站較好地發(fā)揮了它的高海拔優(yōu)勢(shì)，供科研人員研究宇宙線與日地空間相關(guān)性，開(kāi)展空間天氣、災(zāi)害預(yù)警、空間探測(cè)等多學(xué)科交叉研究與應(yīng)用。通過(guò)長(zhǎng)周期觀測(cè)與積累相關(guān)學(xué)科的數(shù)據(jù)，羊八井觀測(cè)站為大氣科學(xué)、地球科學(xué)等研究領(lǐng)域提供綜合研究平臺(tái)。

　　自建成以來(lái)，西藏大學(xué)、山東大學(xué)、西南交通大學(xué)、云南大學(xué)以及中科院國(guó)家天文臺(tái)、紫金山天文臺(tái)、空間中心等多家國(guó)內(nèi)科研單位與羊八井觀測(cè)站開(kāi)展合作。

　　羊八井ASγ陣列已經(jīng)增加了大型μ子探測(cè)器群。因?yàn)橛钪婢€核子在大氣級(jí)聯(lián)過(guò)程中發(fā)生強(qiáng)相互作用，產(chǎn)生大量的繆子，而伽馬或電子的級(jí)聯(lián)是電磁相互作用過(guò)程，很少產(chǎn)生繆子?？茖W(xué)家們可以通過(guò)繆子的多少來(lái)排除宇宙線本底，提高觀測(cè)伽馬和電子的靈敏度。

　　譚有恒說(shuō)：“學(xué)科前沿是眾多研究活動(dòng)推動(dòng)的，因而是動(dòng)態(tài)的，特別是在技術(shù)進(jìn)步日新月異的當(dāng)代。要想有所作為，必須緊緊扣住學(xué)科發(fā)展的脈搏，以盡可能快的速度去占領(lǐng)前沿陣地?！痹谘虬司^測(cè)站運(yùn)行的兩套設(shè)備和兩個(gè)科研團(tuán)隊(duì)中產(chǎn)生了許多研究成果，有著可以彼此重復(fù)、相互支持補(bǔ)充的結(jié)果，相當(dāng)于通過(guò)了交叉檢驗(yàn)，有利于自信心和國(guó)際認(rèn)可度的提升。

　　延伸閱讀 

　　躍上羊八井 

　　■譚有恒 

　　30多年前，在海拔4300米、氣候惡劣、變化無(wú)常、輻射強(qiáng)烈的雪域高原——西藏念青唐古拉山腳，活躍著一支來(lái)自中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所的科研團(tuán)隊(duì)——羊八井宇宙線實(shí)驗(yàn)組，我有幸成為其中一員，參與了羊八井國(guó)際宇宙線觀測(cè)站的建設(shè)。

　　羊八井國(guó)際宇宙線觀測(cè)站占地210畝，是當(dāng)今世界上有效常年觀測(cè)站中海拔最高的一個(gè)。

　　由于西藏羊八井氣候溫和，終年無(wú)積雪，地勢(shì)平坦開(kāi)闊，有地?zé)犭姀S和居民為鄰，有青藏公路、鐵路及寬帶通訊光纖通過(guò)，距拉薩僅90公里。在能源、交通及生活上都具有便利條件，科研人員可在此進(jìn)行長(zhǎng)年不間斷觀測(cè)。因此，羊八井具有大型設(shè)備長(zhǎng)期高質(zhì)量運(yùn)行的條件。

　　此前，建于1954年的云南東川落雪實(shí)驗(yàn)室是我國(guó)唯一的宇宙線野外實(shí)驗(yàn)站，隨后在此基礎(chǔ)上建成了云南站，該實(shí)驗(yàn)站以奇異粒子和高能核作用為研究方向，以傳統(tǒng)的云霧室為觀測(cè)手段。

　　隨著歐洲核子研究中心的超級(jí)質(zhì)子同步加速器問(wèn)世，美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室反質(zhì)子對(duì)撞機(jī)的建造，云南站大云霧室的TeV級(jí)工作能區(qū)已被飛速發(fā)展的人工高能加速器所占領(lǐng)。

　　在這樣的形勢(shì)下，接收度甚小、每小時(shí)只能有幾次觸發(fā)照像的云霧室系統(tǒng)仍需半手工操作，即使做得再大，也無(wú)法與現(xiàn)代化的加速器實(shí)驗(yàn)爭(zhēng)能區(qū)、爭(zhēng)課題。到了上世紀(jì)70年代末、80年代初期，中國(guó)宇宙線研究也進(jìn)入大討論、大轉(zhuǎn)型的時(shí)期。

　　宇宙射線除了其粒子的（微觀的）屬性外，更具有宇宙的屬性。宇宙射線不僅攜帶著有關(guān)宇宙遠(yuǎn)方、天體演化、空間環(huán)境及太陽(yáng)活動(dòng)等多種寶貴科學(xué)信息，還源源不絕地自動(dòng)送上門來(lái)，不應(yīng)被人類熟視無(wú)睹，也不應(yīng)只將其當(dāng)作“粒子炮彈”來(lái)用。

　　然而，隨著人工加速器能量的逐日提高，宇宙線研究應(yīng)當(dāng)愉快地讓出它傳統(tǒng)的高能和甚高能能區(qū)，而移師到加速器尚不能達(dá)到的超高能能區(qū)，去研究核作用的新特征和新現(xiàn)象，同時(shí)在所有能區(qū)（主要是更低的能區(qū)）偏重對(duì)宇宙線宇宙?zhèn)让娴难芯俊?/p>

　　因此，走出云南站云霧室和高能核作用的局限就成為形勢(shì)發(fā)展的必然。當(dāng)年，很多同志選擇了空間硬X射線，我們團(tuán)隊(duì)則選擇了基于宇宙線廣延大氣簇射（EAS）技術(shù)和我國(guó)特有的高山優(yōu)勢(shì)的地面實(shí)驗(yàn)，開(kāi)始了艱苦的創(chuàng)業(yè)歷程。

　　為了掌握這門技術(shù)，我們從1983年開(kāi)始，以完全自力更生白手起家的方式，研制了一套由63個(gè)0.25平方米閃爍探測(cè)器組成的EAS陣列，并于1987年建成了懷柔EAS觀測(cè)站。

　　原先計(jì)劃是工作兩年后搬到西藏，以同一套設(shè)備異地觀測(cè)EAS的縱向發(fā)展，研究“膝區(qū)”物理。不料德國(guó)基爾大學(xué)研究組于1983年宣布“發(fā)現(xiàn)”河內(nèi)雙星SygX-3為超高能γ源（后證明為誤），大家都以為找到了破解宇宙線起源之謎的鑰匙，從而引起了世界范圍的γ天文熱潮。

　　于是，我們及時(shí)調(diào)整了重點(diǎn)目標(biāo)，于1984年到羊八井考察，1986年邀請(qǐng)美、日、意、蘇等國(guó)的有關(guān)學(xué)者，在北京召開(kāi)了“西藏計(jì)劃”國(guó)際研討會(huì)，達(dá)成中、日、意、美分工合作在羊八井建造一復(fù)合型EAS陣列的初步意向。

　　1988年，以中日雙邊合作的形式正式啟動(dòng)了羊八井實(shí)驗(yàn)的籌建工作。同年，日方申請(qǐng)到約四千萬(wàn)日元的科研費(fèi)，我們也獲得了20萬(wàn)元的所長(zhǎng)基金啟動(dòng)“西藏計(jì)劃”。于是“量體裁衣”，快速度、小規(guī)模開(kāi)始籌建工作。

　　中方負(fù)責(zé)羊八井基地建設(shè)，日方提供陣列設(shè)備。共同的科學(xué)興趣和緊迫感使雙方配合默契。高原嚴(yán)冬，我們堅(jiān)持在野外工作，使45個(gè)探測(cè)器的羊八井一期小陣列和羊八井觀測(cè)站于1990年元月初步建成。

　　在那極其艱苦的條件下，羊八井宇宙線實(shí)驗(yàn)組無(wú)私無(wú)畏、勇于開(kāi)拓、甘于奉獻(xiàn)，堅(jiān)持逐年發(fā)展，終于建設(shè)起一個(gè)具備多樣觀測(cè)手段的宇宙線觀測(cè)站。2001年，羊八井國(guó)際宇宙線觀測(cè)站被國(guó)家科技部列為首批國(guó)家重點(diǎn)野外觀測(cè)試點(diǎn)站。（作者系中國(guó)科學(xué)院高能物理所研究員）

　?。ㄔd于《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 2015-02-09 第8版 平臺(tái))