在海拔4410米的青藏高原最大古冰體遺跡海子山上，有一個巨大“圓盤”，它的任務是為科學家們接住從外太空撒向地面的宇宙線，借此破解宇宙的密碼。這個“圓盤”就是國家重大科技基礎設施——高海拔宇宙線觀測站（LHAASO，拉索）。

　　2023年5月10日，拉索通過國家驗收。它正對當今最重要的科學前沿課題——高能宇宙線起源問題發(fā)起沖擊，使我國在高能伽馬射線天文領域的研究達到國際領先水平。

　　拉索航拍圖，攝于2022年。中科院高能所供圖

　　宇宙無限，信使有痕

　　4411米的稻城亞丁機場是世界上海拔最高的民用機場，從這里一路向南，是驢友們心心念念的稻城亞丁景區(qū)，向北10公里，則是有著“稻城古冰帽”“天然石雕公園”之稱的海子山。

　　十多年前，科學家為拉索選址時，這里曾是一片荒涼的無人區(qū)。“狼在山頂上蹲著，夜晚四下里可以聽到狼的叫聲。”回憶起選址過程，中國科學院高能物理研究所研究員、拉索項目首席科學家曹臻記憶猶新。

　　這樣一個杳無人煙、亂石嶙嶙的荒原，正是探測宇宙線的最佳場所。

　　宇宙中，無數(shù)神秘的高能粒子正以接近光的速度飛馳，它們就是宇宙線。宇宙線中大部分是帶電粒子，如質子、鐵核等，還包括少量的電子和光子，它們時刻造訪地球。宇宙線于1912年被奧地利物理學家維克托·赫斯發(fā)現(xiàn)，他因此獲得了1936年諾貝爾物理學獎。早期宇宙線的發(fā)現(xiàn)，促成了粒子物理學的成型和高能人工加速器的出現(xiàn)。

　　“宇宙線的特點是能量非常高。目前能量最高的粒子是歐洲大型強子對撞機（LHC）加速器加速出來的，這個加速器曾經證實了‘上帝粒子’的存在，而宇宙線的能量要比它高出幾千萬倍?！辈苷檎f。

　　但宇宙線的起源是一個世紀未解之謎，曾被美國國家研究委員會列為21世紀11個最前沿的天文和物理問題之一。由于絕大多數(shù)宇宙線為帶電粒子，在傳播過程中會在星際磁場中發(fā)生偏轉，到達地球時失去了原初的方向信息，無法反推宇宙線起源的方向。所以至今，人類仍未找到高能宇宙線起源。

　　宇宙中哪些天體是宇宙線的起源？為什么能加速如此高能量的粒子？它們是怎么加速的？要回答這些問題，需要探測超高能宇宙線。

　　宇宙線粒子進入大氣層后，會與大氣中的原子核相互作用產生次級粒子，它們繼續(xù)和原子核相互作用，一變十、十變百，重復幾十次，最終次級粒子數(shù)最高可達百億，在空氣中像一場粒子“陣雨”，在億分之一秒散布在數(shù)平方公里的面積上，這個過程叫做空氣簇射。曹臻說，宇宙線攜帶著宇宙起源、天體演化、太陽活動及地球空間環(huán)境等重要科學信息，是傳遞宇宙“大事件”的信使?？茖W家建造地基探測器，可以通過分析探測次級粒子，也就是這些宇宙線在大氣中或到達地面后留下的痕跡，反推它們的性質和起源。

　　中國的宇宙線實驗研究經歷三個階段。1954年，中國第一個高山宇宙線實驗室在云南東川海拔3180米的高山上建成。第二個階段是1989年至2000年，中日合作的ASγ實驗、中意合作的ARGO-YBJ實驗相繼在海拔4300米的西藏羊八井啟動。

　　“幾代研究者長期奮戰(zhàn)在高海拔的雪域高原，條件極其艱苦，這使中國宇宙線研究保持在第一梯隊的水平，但我們仍需要‘臨門一腳’，在國家再一次大力支持下，做到國際領先?！?009年，北京香山科學會議上，曹臻提出了在高海拔地區(qū)建設大型復合探測陣列“高海拔宇宙線觀測站”的完整構想，是第三代高山宇宙線觀測站。

　　中國科學院高能物理研究所研究員、拉索項目首席科學家曹臻展示拉索沙盤。中科院高能所供圖

　　“如果在空間站上觀測宇宙線，天基探測器非常小，而超高能量宇宙線數(shù)量稀少，好比用一個盆來接宇宙線，接了半天也接不到?！敝锌圃焊吣芩芯繂T、拉索項目副經理兼總工藝師何會海解釋說，高山實驗能夠充分利用大氣作為探測介質，在地面進行觀測，探測器規(guī)?？蛇h大于大氣層外的天基探測器，采用大規(guī)模探測器是唯一觀測手段。

　　宇宙線觀測站對天空純凈度有很高的要求，高海拔地區(qū)空氣稀薄，有利于宇宙線穿越大氣層到達地面。在云南、青海、西藏等地進行了近5年的選址后，2012年，曹臻團隊最終將目光落在了四川稻城縣海子山。

　　高海拔的挑戰(zhàn)

　　即便在地大物博的中國，找到這樣適合的地方也并不容易。

　　“我們的總體要求多達幾頁紙?！焙螘Ｕf，除了超過4000米的高海拔，還需要這里有足夠平整的一塊土地，也就是場地的落差。當時團隊的要求是落差不超過±50米，海子山這片場地的落差大概在30米。

　　要建設國際領先水平的大型裝置，場地方圓50公里內要有機場，附近要有公路交通，當?shù)蒯t(yī)療條件要達到有高壓氧艙的水平；觀測站要產生海量科學數(shù)據(jù)，當?shù)匦栌蟹奖愕墓╇姉l件……海子山鄰近227國道，離稻城機場只有10公里，四川當?shù)亟o予配套支持，滿足了科學家們的需求。

　　由于觀測站的重要組成部分水切倫科夫探測器陣列是三個“大水池”，充足的水源也必不可少?！拔覀冇芯湓挘接卸喔?，水有多高?！焙螘Ｕf，海子山3000多平方公里的范圍內有1000多個湖泊，為“水池”的大量用水提供了得天獨厚的條件。

　　2015年12月，拉索獲得國家發(fā)改委批復立項，主體工程于2017年動工。在海子山將拉索構想變?yōu)楝F(xiàn)實，還要面臨一系列挑戰(zhàn)。

　　何會海說，場地上遍布的巨石，每個都有一間小房子那么大，除了要把巨石陣移走、修路、通電，科研人員還要將高原上的草甸植被暫時移走?！?000米高原上的植被非常寶貴的，一旦破壞，100年都長不回來。建立觀測站之前，我們將植被暫時移走加以保護，建設完成后再使它們原地、原樣回歸?！?/p>

　　稻城縣的空氣稀薄而寒冷，施工期只有5-10月短短的半年時間，工作人員還要面對惡劣的氣候和缺氧的環(huán)境。對于高原環(huán)境的變幻莫測，臉被曬得黝黑的何會海深有體會?！疤柍鰜頃r，會把臉曬到脫皮，只要一塊云把太陽遮住，氣溫唰地一下就降下來了。”

　　電磁粒子探測器團隊在現(xiàn)場進行探測器定位工作。中科院高能所供圖

　　建設拉索的過程中，工人淘汰率曾高達50%。拉索運行部主任吳超勇說，海子山是高海拔的無人區(qū)，除了高寒缺氧，這里信號弱、溝通難?！昂芏嘟ㄖ挝坏娜松蟻?，剛下車就覺得海拔太高、身體受不了，待了一個晚上就要走。年輕的工人一聽這里沒有網(wǎng)絡，也不再停留?！?/p>

　　留下來的工人，和科研人員一樣充滿情懷。讓中科院高能所高級工程師、拉索建安分總體主任馮少輝感動的是，繆子探測器陣列剛開工建設時，一位白凈的東北小伙告訴他，自己每天都要和身體的不適做對抗，他對這個“神秘”的研究宇宙線的大工程頗為好奇，得知自己是在為國家科研項目做建設，咬牙堅持了下來。每年10月中旬，稻城縣氣溫就驟降至0℃，所以工人們要用6個月的時間完成一年的工程量。半年后，利落的小伙子看起來老了幾歲，胡子拉碴、灰頭土臉，完全看不出是同一個人。“在項目最緊迫、吃勁兒時，工人自發(fā)地先不要工資，讓項目部把僅有的錢拿去供材料。”

　　2020年3月，新冠疫情讓各地生產建設按下了暫停鍵?！爱敃r全國范圍內鮮少有人員流動，但為了保證項目順利進行，我們2月就和四川省、稻城縣各級部門溝通，全國各地匯聚起來的工人來到這里，實現(xiàn)了3月5日按時開工。”馮少輝說。

　　在這樣艱苦的條件下，科研人員硬是扛過了頭疼、失眠等高原反應，沒有一人掉隊，實現(xiàn)了“零淘汰率”。室外組裝過程中，科研人員頭頂強烈的紫外線，趕工期時，他們直面寒冷雨雪，高原純凈美麗的星空也曾映照他們忙碌的身影。

　　“通過拉索形成的海子山精神就是要挑戰(zhàn)極限，我們要做‘做不出來’的事情，遇到困難就去克服?！辈苷檠哉Z中透著自豪。

　　攻克“三大陣列”技術難關

　　從高空俯瞰，拉索的“圓盤”由三大陣列組成，分別是5216個電磁粒子探測器和1188個繆子探測器構成的1平方公里地面簇射粒子探測器陣列、78000平方米的水切倫科夫探測器陣列、18臺廣角切倫科夫望遠鏡。這些探測器用于迎接來自外太空的“粒子雨”。

　　偌大的“圓盤”上，整齊排列著1188個小土包，每個土包里都埋著一個精密的探測器。1188個探測器拼出了宇宙線百年探測史上最大的繆子探測器陣列，覆蓋4萬平方米的靈敏探測面積，處于世界上“斷層”第一的位置?！暗诙蟮奶綔y器是上世紀80年代在美國的CASA-MIA實驗，它的探測器面積只有2700平方米，是我們的1/20左右?！敝锌圃焊吣芩呒壒こ處?、拉索繆子探測器陣列分總體主任肖剛說。

　　繆子探測器面積大，具有強大的宇宙線背景排除能力，可以把十萬個宇宙線背景排除到剩余一個背景，使科研人員可以精準辨認出伽馬光子。相應地，繆子探測器工程量在世界同類型實驗中也是絕無僅有的。

　　1188個小土包的空隙里，密布著5216個綠色或者白色的點，這些“點”名叫電磁粒子探測器，它們可以測量次級粒子數(shù)密度和到達時間。中科院高能所研究員、拉索電磁粒子探測器陣列分總體主任盛祥東說，電磁粒子探測器復雜的內部結構和龐大的探測器數(shù)量，讓設計、組裝、調試等多個環(huán)節(jié)充滿挑戰(zhàn)?！皬念A言到調試，我們前前后后用了13年?！?/p>

　　“圓盤”中央，是呈“品”字形排列的三個水池，它們就是水切倫科夫探測器陣列，總面積相當于2.5個水立方。次級粒子進入水體中會產生一種非常微弱的切倫科夫光，探測器探測到切倫科夫光后，可以得出原初宇宙線的方向和能量信息。

　　2020年12月11日，水切倫科夫探測器陣列三號水池注水后，工作人員下放隔光簾。中科院高能所供圖

　　巨大的水池中裝有35萬噸凈水、超純水，中科院高能所高級工程師、拉索通用系統(tǒng)負責人王博東說，它們是拉索重要的探測介質，水質的好壞直接影響探測器的性能。如此大體量的水體質量保持，在國際上沒有經驗可循。由于項目使用的原水為高原地表水，受季節(jié)變化影響大，導致影響吸光度的凈水水質參數(shù)總有機碳不能穩(wěn)定達到標準。“我們的工藝供配水系統(tǒng)團隊與水處理廠家、高校不斷溝通、交流、實驗，用了半年多時間，研制出一種合適配比的椰殼活性炭，徹底解決了這個問題?！?/p>

　　為了探測到切倫科夫光，科學家要在水池底部安裝很多晶瑩剔透的“玻璃泡”，它們就是光電倍增管，可以將微弱的光信號轉化成電信號并放大，科研人員對其光強和到達時間進行測量分析，從而研究宇宙線信息。此前，世界上只有日本濱松公司可以生產20英寸光電倍增管，高能所科研人員成功研制了國產的“玻璃泡”，打破了國際壟斷，將時間響應提高了3倍。

　　20英寸光電倍增管。中科院高能所供圖

　　因為要放置在4.5米深的水中，光電倍增管還必須進行防水封裝。水池內陰冷幽暗，平均溫度為零下3℃，科研人員需要忍受難以形容的寒冷長時間進行安裝調試。

　　水切倫科夫探測器陣列三號水池內安裝完成的光電倍增管。中科院高能所供圖

　　廣角切倫科夫望遠鏡陣列猶如拉索的一只只“眼睛”，由18個斜沖向天空的“大藍箱子”組成，緊盯著宇宙線在大氣中閃出的微弱光亮，探測宇宙線中氫、氦、鐵等元素的比例。

　　“大藍箱子”內部裝著很多精密的設備，其中最核心的設備是硅光電倍增管相機。最初研制人員想使用普通的光電倍增管，但其在較強的光線下使用會降低壽命甚至燒壞，使望遠鏡無法在白天和有月光的晚上開機。為了確保有足夠長的探測時間，科研人員攻克了重重技術難關，使用硅光電倍增管替換了普通的光電倍增管。

　　廣角切倫科夫望遠鏡陣列。中科院高能所供圖

　　開啟“超高能伽馬天文學”時代

　　“我們要建設一個巨大的實驗裝置，其中每一個部分都包含著嚴苛的技術要求。要突破嚴峻的技術挑戰(zhàn)，不是靠幾個聰明人就能完成的?！敝锌圃焊吣芩彼L董宇輝說，拉索項目團隊聚集了擁有不同知識背景的科研人員，大家精誠團結，敢于爬最高的山、攻克世界上最難的問題，通過自主創(chuàng)新和國際合作，完成了多項關鍵核心技術攻關。

　　他們首次在大視場成像切倫科夫望遠鏡中大規(guī)模使用新型硅光電管，改變了這類望遠鏡不能在月夜工作的傳統(tǒng)觀測模式，實現(xiàn)了有效觀測時間的成倍增長；發(fā)展了基于“小白兔”技術、適應4000米以上高海拔野外工況的大面積、多節(jié)點、高精度時鐘同步技術，遠距離同步精度提升到0.2納秒，達到國際領先水平；采用特殊的數(shù)據(jù)篩選技術，對海量數(shù)據(jù)進行無損壓縮，實現(xiàn)從海子山到高能所的實時數(shù)據(jù)傳輸……

　　2021年，拉索全部完成建設，成為目前世界上最靈敏的超高能伽馬射線探測裝置、世界上靈敏度最高的甚高能伽馬射線源巡天普查望遠鏡，以及能量覆蓋范圍最寬的超高能宇宙線復合式立體測量系統(tǒng)。

　　高海拔宇宙線觀測站觀景臺。中科院高能所供圖

　　受稻城氣候條件限制，拉索每年施工期只有6個月，所以采取了“邊建設邊運行”模式。拉索的1/4規(guī)模探測裝置于2019年4月投入試運行，全規(guī)模探測裝置于2021年7月投入試運行。早在試運行期間，拉索已經取得多項突破性的重大科學成果。

　　據(jù)曹臻介紹，探索宇宙線要瞄準一些活動非常劇烈的天體，看其是否有能力產生極高能量的粒子。2020年，拉索在銀河系內發(fā)現(xiàn)了大量超高能宇宙加速器候選天體，并記錄到最高1.4PeV（1PeV為1000萬億電子伏，也叫“拍電子伏”）的伽馬光子，這是人類觀測到的最高能量光子，改變了人類對銀河系粒子加速的傳統(tǒng)認知，開啟了“超高能伽馬天文學”時代。

　　1PeV是什么概念？它相當于醫(yī)學診斷用的X射線能量（大約1萬電子伏特）的1000億倍。

　　我們人眼所能看見的可見光，其光子能量為幾個電子伏特（eV）。太陽通過內部氫核聚變所產生的伽馬射線，能量達到了百萬電子伏特（MeV）。早在1989年，美國亞利桑那州惠普爾天文臺的實驗組成功發(fā)現(xiàn)了首個具有0.1 TeV以上（1TeV=1萬億電子伏特）伽馬輻射的天體，標志著“甚高能”伽馬射線天文學時代的開啟。在隨后的30年里，已經發(fā)現(xiàn)超過200個“甚高能”伽馬射線源。

　　直到2019年，人類才探測到首個具有“超高能”（0.1PeV以上）伽馬射線輻射的天體，當時，中日合作團通過西藏羊八井ASg實驗，發(fā)現(xiàn)了能量高達0.45PeV的伽馬射線。2020年，基于1/2規(guī)模的拉索不到1年的觀測數(shù)據(jù)，就將“超高能”伽馬射線源數(shù)量提升到了12個?！皣獾膶嶒炑b置很難看到這些源，因為它們的‘眼睛’不夠亮，不夠靈敏?！辈苷檎f。

　　基于拉索的研究成果表明，年輕的大質量星團、超新星遺跡、脈沖星風云等是銀河系超高能宇宙線起源的最佳候選天體，有助于破解宇宙線起源這一“世紀之謎”。這一成果發(fā)表在《Nature》（《自然》）上。

　　拉索還精確測定了標準燭光蟹狀星云的超高能段亮度，這也意味著，將來要為其他天體做“超高能波段”的觀測時，仍然需要先對標“標準燭光”——蟹狀星云。同時，拉索發(fā)現(xiàn)了1千萬億電子伏伽馬輻射，挑戰(zhàn)理論極限。

　　“成果持續(xù)產出后，產生了明顯的‘拉索效應’?！辈苷檎f，目前在國際的天體物理會議上，幾乎每會必談拉索，每會必談拍電子伏宇宙加速器（PeVatron）?！袄鞯陌l(fā)現(xiàn)已經把門打開了，我們的競爭對手——國際合作的切倫科夫望遠鏡陣列（CTA）下一步該怎么做也成了很重要的話題。”

　　在探索浩瀚宇宙的道路上，拉索將源源不斷地帶來新的發(fā)現(xiàn)。

引自新京報2023.5.10版 原地址：https://m.bjnews.com.cn/detail/168371465314279.html