四川稻城，海拔4410米的海子山上，方圓1.36平方千米的高海拔宇宙線觀測(cè)站“拉索”（LHAASO）正在敏銳捕捉從宇宙“灑”向地球的帶電粒子，從中發(fā)現(xiàn)宇宙深處的未知世界。5月10日晚，這一國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施順利通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收。

　　從2015年立項(xiàng)，到2021年完成建設(shè)， “拉索”一邊建設(shè)一邊觀測(cè)，已為人類(lèi)打開(kāi)了一扇觀測(cè)宇宙的全新窗口。未來(lái)十幾年，它將助力中國(guó)粒子天體物理研究走向世界最前沿，向當(dāng)今最重要的科學(xué)前沿課題——高能宇宙線起源問(wèn)題發(fā)起沖擊。

　　挺進(jìn)宇宙探測(cè)“無(wú)人區(qū)”，挑戰(zhàn)著科學(xué)家的勇氣、智慧與毅力；高海拔施工，更帶來(lái)難以想象的困難?！袄鳌钡尼绕?，展現(xiàn)出中國(guó)科技自立自強(qiáng)的決心與能力。它在建設(shè)與運(yùn)行中所凝聚起的“挑戰(zhàn)極限”的海子山精神，也將成為我國(guó)建制化基礎(chǔ)研究的一個(gè)典范。

　　▲拉索全景航拍圖

　　敢想：在世界屋脊建最靈敏的宇宙線大裝置

　　“在人類(lèi)未來(lái)的宇宙觀中，我們一定要留下中國(guó)人書(shū)寫(xiě)的篇章。”“拉索”首席科學(xué)家、中科院高能所研究員曹臻是我國(guó)宇宙線研究發(fā)展的見(jiàn)證者、參與者，更是目前的引領(lǐng)者。

　　為尋找宇宙線的起源，早在新中國(guó)建立之初，王淦昌、何澤慧等老一輩科學(xué)家就在云南昆明東川一座3200米的山峰上，建起了中國(guó)第一個(gè)宇宙線實(shí)驗(yàn)室——落雪站。上世紀(jì)90年代，譚有恒等人在西藏建立我國(guó)第一代伽馬天文學(xué)探測(cè)基地——羊八井宇宙線國(guó)際觀測(cè)站。

　　曹臻曾跟隨導(dǎo)師譚有恒在羊八井值守多年，見(jiàn)證了中國(guó)宇宙線研究一步步走到國(guó)際前沿，逐漸開(kāi)始思考“如何才能走到國(guó)際領(lǐng)先？”

　　▲曹臻與他的拉索構(gòu)想

　　歷數(shù)目前人類(lèi)對(duì)宇宙構(gòu)成的認(rèn)知中，幾乎沒(méi)有一個(gè)重要觀點(diǎn)是由中國(guó)科學(xué)家貢獻(xiàn)的?！拔迩赉筱笾腥A文明，不應(yīng)該在人類(lèi)的宇宙觀中毫無(wú)話(huà)語(yǔ)權(quán)。”一幅宏偉的宇宙線研究藍(lán)圖，開(kāi)始在曹臻心中勾畫(huà)：只有做出一流研究成果，引領(lǐng)國(guó)際宇宙線領(lǐng)域的發(fā)展，才可能在人類(lèi)未來(lái)宇宙觀的構(gòu)成中，擁有話(huà)語(yǔ)權(quán)。

　　立足百年未有之大變局，科學(xué)研究范式正在發(fā)生深刻變革。在最前沿的物理學(xué)領(lǐng)域，“得大裝置者得天下”已成大勢(shì)所趨。無(wú)論是“上帝粒子”還是引力波的發(fā)現(xiàn)，都得益于大科學(xué)裝置性能的提升。

　　2010年左右，世界各國(guó)紛紛提出下一代伽馬天文觀測(cè)大科學(xué)裝置計(jì)劃。經(jīng)過(guò)多年醞釀，曹臻提出了利用世界屋脊的地理優(yōu)勢(shì)，建立世界上靈敏度最高的高海拔宇宙線觀測(cè)站的設(shè)想——靈敏度比當(dāng)時(shí)最好的宇宙線裝置高出30倍！

　　“這個(gè)設(shè)想對(duì)粒子物理、天文學(xué)、宇宙學(xué)等諸多學(xué)科來(lái)說(shuō)，都極具引領(lǐng)性。”中科院高能所副所長(zhǎng)董宇輝認(rèn)為，當(dāng)自由探索發(fā)展到一定階段，建制化基礎(chǔ)研究一定會(huì)出現(xiàn)。只有提出重大科學(xué)問(wèn)題，形成“使命驅(qū)動(dòng)”，才能將多個(gè)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合在一起，共同克服困難，最終求解答案。

　　建成后的“拉索”，其國(guó)際領(lǐng)先地位已無(wú)可質(zhì)疑：它是世界上最靈敏的超高能伽馬射線探測(cè)裝置、靈敏度最高的甚高能伽馬巡天普查望遠(yuǎn)鏡、能量覆蓋范圍最寬的超高能宇宙線復(fù)合式立體測(cè)量系統(tǒng)。

　　基于其超高的探測(cè)靈敏度，“拉索”在初步運(yùn)行期間就已經(jīng)取得了一系列突破性的重大發(fā)現(xiàn)：在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)大量超高能宇宙加速器候選天體，并記錄到人類(lèi)觀測(cè)到的最高能量光子；精確測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)燭光蟹狀星云的超高能段亮度，發(fā)現(xiàn)1千萬(wàn)億電子伏特伽馬輻射，挑戰(zhàn)理論極限……

　　如今，國(guó)際粒子天體物理領(lǐng)域形成了一股“拉索效應(yīng)”：詢(xún)問(wèn)“拉索”的最新發(fā)現(xiàn)，已成為該領(lǐng)域科學(xué)家“每會(huì)必談”的熱門(mén)話(huà)題。

　　曹臻透露，不久之后，“拉索”還將公布一項(xiàng)重要發(fā)現(xiàn)，可能會(huì)改變?nèi)祟?lèi)目前對(duì)部分天體現(xiàn)象的理解，“我們的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)開(kāi)創(chuàng)了超高能伽馬天文學(xué)，未來(lái)還將以更大的全新發(fā)現(xiàn)，將中國(guó)人的貢獻(xiàn)寫(xiě)入人類(lèi)未來(lái)的宇宙觀”。

　　敢做：靠自己的力量建成“拉索”，唯有中國(guó)

　　由于宇宙微波背景輻射會(huì)吸收高能粒子，對(duì)于1PeV（拍電子伏特，P即10的15次方）以上的超高能粒子，宇宙就不再是“透明”的。再加上大氣的吸收，這些粒子落在地球上的概率，在每平方米土地上可能一年才有一次。

　　當(dāng)超高能粒子撞入大氣時(shí)，就會(huì)“一變二、二變四、四變八”地激發(fā)一系列低能的次級(jí)粒子，這被稱(chēng)為“級(jí)聯(lián)簇射”。通過(guò)探測(cè)這些次級(jí)粒子，科學(xué)家可以反推出那顆超高能粒子的方向和能量?！袄鳌本褪菫榇硕臁?/p>

　　從空中俯瞰群山間的“拉索”，5216個(gè)電磁粒子探測(cè)器和1188個(gè)繆子探測(cè)器構(gòu)成一平方公里地面簇射粒子探測(cè)器陣列、7.8萬(wàn)平方米的水切倫科夫探測(cè)器陣列、18臺(tái)廣角大氣切倫科夫望遠(yuǎn)鏡。它猶如一幅人類(lèi)問(wèn)天的圖騰，表達(dá)著人類(lèi)窺探宇宙的好奇。

　　▲由電磁粒子探測(cè)器陣列和繆子探測(cè)器陣列組成的一平方公里陣列（KM2A）

　　占地1.36平方千米，建在超過(guò)4000米的高海拔地區(qū)，還要將裝置靈敏度提升30倍，工程難度可想而知。而“拉索”實(shí)現(xiàn)了幾乎百分之百的國(guó)產(chǎn)化。

　　“是中國(guó)國(guó)內(nèi)完備的工業(yè)體系給了科學(xué)家挑戰(zhàn)不可能的信心和勇氣。”董宇輝不無(wú)自豪地說(shuō)，“放眼全球，能完全依靠自己的力量建成‘拉索’這樣的大科學(xué)裝置的，唯有中國(guó)?！?/p>

　　且不論儀器設(shè)備的尖端突破，“拉索”單憑水電配套、時(shí)間同步，就創(chuàng)下了“世界第一”。

　　或許沒(méi)人會(huì)想到，“拉索”的純凈水水體冠絕世界。7.8萬(wàn)平方米的水切倫科夫探測(cè)器陣列完全浸泡在水深達(dá)4.5米、相當(dāng)于兩個(gè)“水立方”（國(guó)家游泳中心）大小的水池中。如此巨大的純凈水體，對(duì)建筑提出了極其苛刻的要求。

　　“剛接手時(shí)，以為只是造臺(tái)拖拉機(jī)，后來(lái)發(fā)現(xiàn)性能要求堪比跑車(chē)。”項(xiàng)目建安分總體主任馮少輝以此比方，來(lái)形容中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院接下大水池工程之后的感受。

　　▲科研人員在水切倫科夫探測(cè)器陣列內(nèi)部檢查設(shè)備

　　由于粒子發(fā)出的切倫科夫光極其微弱，因此整個(gè)水體建筑必須絕對(duì)防光；為確保水底的探測(cè)設(shè)備正常工作，在冬季冷到-35℃的海子山上，水池里的水體不能結(jié)冰，且晝夜溫差不得超過(guò)0.05℃；總水量每天的變化率要控制在0.03%以?xún)?nèi)。

　　“最后，這個(gè)投資僅1.6億元的項(xiàng)目，獲得了四川省建設(shè)工程天府杯的金獎(jiǎng)。”馮少輝說(shuō)，讓評(píng)委投出全票的理由只有一條——技術(shù)含金量實(shí)在是高。

　　時(shí)間同步精度，這是在海子山上挑戰(zhàn)的又一個(gè)極限?！袄鳌钡臅r(shí)間分配系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了世界上最高水平的同步精度，達(dá)到亞納秒級(jí)別。

　　當(dāng)一個(gè)超高能粒子引發(fā)的級(jí)聯(lián)簇射到達(dá)地面，粒子先后時(shí)差以十幾納秒計(jì)。通常，時(shí)間同步靠光子在光纖中“奔走相告”。可到了納秒級(jí)，哪怕細(xì)微的溫度擾動(dòng)、距離差異，都可能導(dǎo)致時(shí)間同步出現(xiàn)誤差。

　　為此，清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)與高能所聯(lián)手，通過(guò)巧妙的技術(shù)改進(jìn)，使近萬(wàn)個(gè)探測(cè)器節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間偏差小于0.3納秒。而且，整個(gè)系統(tǒng)可以不受光纖長(zhǎng)度和溫度變化影響，自動(dòng)校正并補(bǔ)償線路延遲，還非常適應(yīng)野外工作環(huán)境。這套系統(tǒng)被科學(xué)家昵稱(chēng)為“小白兔”。

　　光電倍增管的突破，也是“拉索”的驕傲?！袄鳌毖兄瞥隽诵乱淮韫怆姳对龉芟鄼C(jī)，突破了傳統(tǒng)設(shè)備無(wú)法在月夜進(jìn)行觀測(cè)的局限，使18臺(tái)廣角大氣切倫科夫望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)時(shí)間得到成倍提高。

　　▲廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列(WFCTA）

　　過(guò)去，20英寸光電倍增管的技術(shù)被國(guó)外壟斷。這次，“拉索”團(tuán)隊(duì)攜手國(guó)內(nèi)高科技企業(yè)，成功制造出高時(shí)間性能的同類(lèi)產(chǎn)品，而且良品率非常高——生產(chǎn)了2200多個(gè)，次品僅55個(gè)。這些次品被設(shè)計(jì)成了一面裝飾墻，陳列在位于稻城鎮(zhèn)上的“拉索”科普展示館中。這一突破，不僅迫使國(guó)外企業(yè)大幅降價(jià)，甚至還讓他們上門(mén)來(lái)求購(gòu)。

　　敢拼：“給錢(qián)也不干”的工地上，科研人員“零淘汰”

　　構(gòu)成海子山精神的，不僅有科學(xué)家、工程師的迎難而上、挑戰(zhàn)極限，還有普通工人的愛(ài)崗敬業(yè)與無(wú)私奉獻(xiàn)。

　　2017年，“拉索”基建開(kāi)工時(shí)，遇到了“招工難”。地處高海拔、無(wú)人區(qū)，面對(duì)高寒、缺氧、手機(jī)信號(hào)不佳等惡劣條件，很多前來(lái)找活兒的工人剛一下車(chē)，看到條件這么艱苦，第二天就走了，只撂下一句“給錢(qián)也不干”。

　　據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，“拉索”基建工地上的工人淘汰率超過(guò)50%。然而，最終在工地上留下來(lái)的工人都非常吃苦耐勞，最高峰時(shí)約有600多人，這令前來(lái)參觀的歐洲同行吃驚。工人們的敬業(yè)與刻苦，也讓科研人員深深感動(dòng)。

　　▲電磁粒子探測(cè)器安裝

　　身處海拔4410多米的高原，普通人哪怕多說(shuō)會(huì)兒話(huà)，都感覺(jué)氣喘費(fèi)力，更何況工人承擔(dān)著基建工地上的重體力活兒。在繆子探測(cè)器建設(shè)中，有位來(lái)自東北的小伙子。剛來(lái)時(shí)白白凈凈的他，每天在工地上風(fēng)吹日曬，半年后就變得皮膚黝黑、胡子拉碴，身上的衣服也滿(mǎn)是油污，外貌與之前幾乎判若兩人。

　　▲暴雪后的繆子探測(cè)器（MD）陣列

　　稻城每年10月就開(kāi)始霜凍，因此只有半年時(shí)間適合施工。2020年，受到新冠疫情的影響，能夠施工的時(shí)間只剩下兩個(gè)月。為了在兩個(gè)月里完成半年的工程量，工人們自發(fā)三班倒加班。當(dāng)年9月底，當(dāng)工人們得知工程經(jīng)費(fèi)吃緊，主動(dòng)讓工程經(jīng)理“先拿我們的工錢(qián)去買(mǎi)材料”。“拉索”工程項(xiàng)目副總經(jīng)理、總工藝師何會(huì)?；貞洠?dāng)時(shí)所有管理層都深受感動(dòng)，表示“工錢(qián)會(huì)盡快補(bǔ)上，不會(huì)欠大家一分錢(qián)”。

　　值得一提的是，在如此艱苦的環(huán)境下，科研人員的淘汰率為零。這得益于中科院成都分院開(kāi)創(chuàng)的“稻城觀測(cè)+成都研究”模式。中科院成都分院副院長(zhǎng)陳鋒介紹，海子山的觀測(cè)站條件艱苦，他們通過(guò)協(xié)調(diào)地方政府，一方面在稻城鎮(zhèn)上建起測(cè)控基地，并輔以生活設(shè)施，一方面在成都設(shè)立成都天府宇宙線研究中心，方便引才的同時(shí)，為宇宙學(xué)、粒子物理、空間環(huán)境等交叉研究提供綜合平臺(tái)。

　　在曹臻看來(lái)，“拉索”通過(guò)驗(yàn)收又是一個(gè)起點(diǎn)。未來(lái)，他們還將圍繞高能宇宙射線源開(kāi)展更多研究。比如，建造靈敏度更高的觀測(cè)設(shè)備，努力“看清”射線源內(nèi)部構(gòu)造，結(jié)合中微子探測(cè)確定射線源的更多性質(zhì)。

　　“未來(lái)可期，亦不可期?！笨茖W(xué)家們將在不斷挑戰(zhàn)極限中，揭示更多宇宙奧秘。

引自文匯報(bào)2023.5.10版 原地址：http://wenhui.whb.cn/zhuzhanapp/kjwz/20230510/520507.html