高海拔宇宙線觀測站LHAASO的設(shè)計(jì)方案效果圖。
LHAASO科研團(tuán)隊(duì)部分成員和施工現(xiàn)場部分工人在LHAASO站址大石上合影。經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)記者 佘惠敏攝
它是我國海拔最高的大科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施，投資超過10億元，將在方圓1.36平方公里的雪域荒原上安裝近萬個(gè)世界最先進(jìn)最靈敏的探測器，一探世紀(jì)難題——高能宇宙線起源。
它的名字叫“拉索”（LHAASO），全稱為高海拔宇宙線觀測站，于2015年12月獲批立項(xiàng)，最近通過了初步設(shè)計(jì)報(bào)告評(píng)審，即將全面開工建設(shè)。
想知道“拉索”有多么“高富帥”嗎？6月初，《經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)》記者奔赴“拉索”站址四川稻城海子山采訪，為您帶回第一手的見聞。
宇宙溯源 信使有痕
宇宙線是一種來自宇宙的高能粒子流，攜帶著宇宙起源、天體演化等宏觀信息，是傳遞“宇宙大事件”的信使。高能宇宙線的起源是一個(gè)一直未獲解決的世紀(jì)難題，“宇宙加速器”在哪里？是什么加速原理？“拉索”的科學(xué)目標(biāo)就瞄準(zhǔn)了這里。
在平均海拔4410米的四川稻城海子山“拉索”觀測基地上，記者看到，這里基本還是一片荒原。2000多畝的觀測基地范圍內(nèi)，主要是高山草地。許多大塊的石頭錯(cuò)落散布其間，中心區(qū)有清澈的小河緩緩流過，看似與周邊的雪域荒原連為一體，并沒有什么不同。讓這片區(qū)域顯得不一樣的是，幾條正在修建的道路和水渠邊，有四川路橋集團(tuán)的工人們基礎(chǔ)作業(yè)的忙碌身影。記者采訪得知，基建工作從去年7月就已經(jīng)開始，目前，電建、土建等基建工作進(jìn)展順利，為即將動(dòng)工的“拉索”主體項(xiàng)目建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。
為什么要在如此高海拔的荒原無人區(qū)，建設(shè)一個(gè)這么大的探測基地？
“拉索”項(xiàng)目首席科學(xué)家、中國科學(xué)院高能物理所研究員曹臻給記者講了一個(gè)“宇宙無限、信使有痕”的科普故事。
“探索宇宙的起源與演化是人類智慧的永恒驅(qū)動(dòng)力，我們希望通過宇宙線這個(gè)信使來了解宇宙。”曹臻說，自1912年人類發(fā)現(xiàn)宇宙線以來，研究宇宙線的努力從未中斷過。
宇宙線是一種來自宇宙的高能粒子流，攜帶著宇宙起源、天體演化、空間環(huán)境和太陽活動(dòng)等宏觀信息，是傳遞“宇宙大事件”的信使。這些高能粒子主要是原子核，還包括少量電子和光子。
宇宙線粒子的動(dòng)能跨越14個(gè)數(shù)量級(jí)，不同的能量反映了不同的起源。太陽宇宙線的能量最低，大約以10"10（10的10次方）eV（電子伏特）作為起點(diǎn)；從10"11 eV到10"18eV的宇宙線主要起源于銀河系內(nèi)；而能量高于10"18eV的宇宙線，主要來自于銀河系外的廣垠宇宙。
“宇宙線的能量可以很高?！辈苷榻榻B，宇宙中存在能量極高的宇宙線高能粒子，可以達(dá)到10"20eV以上，而北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)這樣的人工粒子加速器僅能加速出10"9eV的高能粒子，前者的能量比后者高1000億倍左右。
高能宇宙線的起源是一個(gè)一直未獲解決的世紀(jì)難題，“宇宙加速器”在哪里？是什么加速原理？“拉索”的科學(xué)目標(biāo)就瞄準(zhǔn)了這里。
為什么“拉索”要建這么大？因?yàn)橛钪婢€能量越高越稀少，建得足夠大，才能捕捉到足夠多可供研究的高能宇宙線樣本。
“‘拉索’的主要工作能區(qū)是10"12 eV到10"18eV，一個(gè)典型的事例發(fā)生率是每平方米每年1個(gè)事例，它有100萬平方米，一年可測量100萬個(gè)事例。而能量高于10"18eV的銀河系外高能粒子，大約每年每平方公里1個(gè)，‘拉索’每年只能捕捉到一個(gè)左右?！辈苷檎f。
進(jìn)入地球大氣層的高能宇宙線原初粒子會(huì)與空氣中的原子核相碰撞，連續(xù)發(fā)生強(qiáng)相互作用和電磁相互作用，產(chǎn)生大量次級(jí)粒子，衍生出地球上最為壯觀的多粒子事件——廣延大氣簇射（EAS）?？茖W(xué)家們將之形象地稱為粒子“陣雨”。
在方圓1.36平方公里、布下近萬探測器的“拉索”，將探測到這樣的“陣雨”，科學(xué)家們將通過“陣雨”的詳細(xì)數(shù)據(jù)追溯出高能宇宙線粒子的特征，再追溯高能宇宙線粒子的“源”，也就是“宇宙加速器”，從而研究高能宇宙線的產(chǎn)生機(jī)制。
現(xiàn)在，宇宙中有180多個(gè)天體是科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)的候選源，科學(xué)家們要從中找到各種證據(jù)，證明其中誰才是真正的“宇宙加速器”?！俺滦潜l(fā)、黑洞爆發(fā)、巨大星系之間的碰撞等，都可能是我們要找的‘源’，我們希望找到多個(gè)‘宇宙加速器’，這樣才能更好地研究高能宇宙線的起源?！辈苷檎f。
百年求索 三代神器
高山實(shí)驗(yàn)是宇宙線觀測研究中必不可少的研究手段。中國的高山宇宙線實(shí)驗(yàn)室經(jīng)歷了3個(gè)發(fā)展階段：上世紀(jì)50年代建立的云南落雪山宇宙線實(shí)驗(yàn)站；1987年建設(shè)的西藏羊八井國際宇宙線觀測站；目前即將開建的“拉索”是第三代。
作為太陽系以外唯一的物質(zhì)樣本，宇宙線及其起源是人類探索宇宙及其演化的重要途徑。在宇宙線被發(fā)現(xiàn)之后的一百年間，與之相關(guān)的探索與研究已經(jīng)產(chǎn)生了數(shù)枚諾貝爾獎(jiǎng)牌，但人類始終沒有發(fā)現(xiàn)宇宙線的起源。這使得宇宙線起源問題成為自然科學(xué)在21世紀(jì)所面臨的若干基本問題之一，在歐、美科學(xué)決策機(jī)構(gòu)提出的6個(gè)或11個(gè)本世紀(jì)基礎(chǔ)科學(xué)難題中，均位列前五。
“拉索”正是瞄準(zhǔn)這一重大科學(xué)難題而提出的，但并非好大喜功的一蹴而就，而是經(jīng)過了幾代中國高能物理學(xué)家們數(shù)十年的積累。
高山實(shí)驗(yàn)是宇宙線觀測研究中能夠盡可能減小大氣層的吸收效應(yīng)的地面探測手段，其規(guī)模可以遠(yuǎn)大于大氣層外的天基探測器，成為甚高能和超高能伽馬天文及宇宙線觀測中必不可少的研究手段。
中國科學(xué)院高能所副所長羅小安向記者介紹，中國的高山宇宙線實(shí)驗(yàn)室經(jīng)歷了3個(gè)發(fā)展階段。
上世紀(jì)50年代建立的云南落雪山宇宙線實(shí)驗(yàn)站，是中國第一個(gè)高山宇宙線實(shí)驗(yàn)室，先后安裝了多板云室、磁云霧室和大云室組，為我國粒子物理研究奠定基礎(chǔ)。
1987年，高能所開始在西藏羊八井建設(shè)國際宇宙線觀測站，此中建設(shè)的中日合作廣延大氣簇射陣列（ASγ）和中意合作全覆蓋探測陣列（ARGO-YBJ），是國際四大超高能γ天文和超高能宇宙線研究陣列之一。
第三代高山宇宙線實(shí)驗(yàn)室，就是目前在建的“拉索”。
“在羊八井開始階段的中日合作項(xiàng)目中，我們主要是向日本人學(xué)習(xí)，采用對(duì)方的方案和設(shè)備；在90年代末的中意合作項(xiàng)目中，我們已經(jīng)跟意大利人平起平坐，共同研發(fā)探測裝置，共同開展重要的科學(xué)研究；現(xiàn)在的‘拉索’項(xiàng)目，則完全是中國科學(xué)家設(shè)計(jì)引領(lǐng)，并吸引了法國、意大利、俄羅斯、瑞士等多國科學(xué)家參與的國際前沿大科學(xué)工程。”羅小安介紹，通過與宇宙線領(lǐng)域研究強(qiáng)國日本、意大利近30年的長期合作，我國已經(jīng)積累了很多成功經(jīng)驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上提出的“拉索”項(xiàng)目，建成后將占據(jù)三個(gè)世界第一：世界最高的高能伽馬射線探測靈敏度，其功能是判斷一個(gè)源是否為宇宙加速器；世界最靈敏的甚高能伽馬射線巡天探測，可以對(duì)全天區(qū)掃描，發(fā)現(xiàn)更多源；世界最寬廣的宇宙線能量測量范圍，具有寬廣能量覆蓋度的宇宙線能譜和成分精確測量裝置，可對(duì)解開宇宙線起源之謎形成強(qiáng)有力的沖擊。
眾志成城 面向前沿
由5195個(gè)電磁粒子探測器和1171個(gè)繆子探測器組成的地面簇射粒子陣列；78000平方米的水切倫科夫探測器；12臺(tái)廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡……為將“拉索”的設(shè)計(jì)藍(lán)圖變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，建設(shè)者們攻堅(jiān)克難，在工程實(shí)施和技術(shù)創(chuàng)新上不斷突破。
“拉索”的探測基地將由哪些主要裝置構(gòu)成？
我國科學(xué)家在藍(lán)圖中將“拉索”探測器陣列設(shè)計(jì)為三個(gè)部分：由5195個(gè)電磁粒子探測器和1171個(gè)繆子探測器組成的地面簇射粒子陣列；78000平方米水切倫科夫探測器，分為3000個(gè)探測單元；12臺(tái)廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡。
在這些探測器施工過程中，哪些地方難度最大？
“拉索”工程辦主任、中科院高能物理所副研究員白云翔告訴記者，在設(shè)施建設(shè)過程中，既有工程實(shí)施的挑戰(zhàn)也有技術(shù)上的創(chuàng)新。“我們要建造面積相當(dāng)于2.5個(gè)水立方的‘中央大水池’——包含3000個(gè)探測單元的7.8萬平方米的水切倫科夫探測器。這個(gè)水池要完全密閉，既要做好內(nèi)防水，也要做好外防水，確保優(yōu)質(zhì)的潔凈水不泄露，還不能被外界滲漏進(jìn)來的水所污染。此外，避光也是很大的挑戰(zhàn)，水切倫科夫探測器要對(duì)單光子級(jí)別的光信號(hào)進(jìn)行研究，必須屏蔽所有自然光，才能捕捉進(jìn)入其中的每一個(gè)高能伽馬光子蹤跡。”
在技術(shù)上也有多個(gè)創(chuàng)新。比如觀測基地方圓1.36平方公里的陣列里，布置了上萬路探測器，要做到每路探測器的時(shí)間保持同步就是一大難點(diǎn)。“宇宙線高能粒子以光速來臨，與空氣碰撞后形成粒子陣雨灑落到探測器上，陣雨落下的整個(gè)過程僅持續(xù)納秒量級(jí)，假如有1000個(gè)探測器被擊中，每個(gè)探測器都有1個(gè)時(shí)間記錄，記錄精準(zhǔn)度要達(dá)到0.1納秒內(nèi)?！卑自葡枵f，單個(gè)探測器探測精度定在0.1納秒內(nèi)不難，但這么大范圍內(nèi)，這么多路探測器定時(shí)精度保持在這個(gè)水平上，這是“拉索”的突破。
然而，這些難關(guān)都是必須攻破的，攻破難關(guān)，“拉索”才有競爭力。
宇宙線研究在國際上是熱門，其三個(gè)主要分支分別是歐美和中、日的伽馬天文學(xué)實(shí)驗(yàn)，美國為首的南極中微子實(shí)驗(yàn)，以及多國合作的巨型極高能宇宙線實(shí)驗(yàn)。“拉索”屬于伽馬天文學(xué)實(shí)驗(yàn)，是三個(gè)分支中最成熟的領(lǐng)域，國際競爭十分激烈。
目前，在這一領(lǐng)域，美國在結(jié)束第二代的MILAGRO實(shí)驗(yàn)之后，從海拔2700米移師4100米的高山站址，借此將靈敏度提高十幾倍，開始了HAWC實(shí)驗(yàn)，已于2015年初完成建設(shè)任務(wù)。歐洲提出了更加宏偉的切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列（CTA）計(jì)劃，已經(jīng)列入歐洲天體物理發(fā)展路線圖，將耗資2億歐元對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)升級(jí)換代。
從設(shè)計(jì)指標(biāo)看，在高于10TeV（10"12eV，萬億電子伏特）的能量區(qū)域，“拉索”的超高能伽馬射線探測靈敏度是世界之最，比歐洲CTA計(jì)劃的靈敏度還要高十幾倍；在幾百GeV（10"9eV，十億電子伏特）的能區(qū)，“拉索”的甚高能伽馬射線巡天普查靈敏度也是世界第一，高于美國HAWC實(shí)驗(yàn)3到4倍。
“拉索”項(xiàng)目建設(shè)周期為4年，投入運(yùn)行后科學(xué)壽命在20年以上。
挑戰(zhàn)宇宙線起源的世紀(jì)之謎，中國“拉索”即將報(bào)到！（經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)·中國經(jīng)濟(jì)網(wǎng)記者 佘惠敏）
?。ā督?jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)》2017年6月9日 頭版）
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