追宇宙线的人

本文转自：解放日报

4月21日俯瞰高海拔宇宙线观测站（LHAASO）（无人机全景照片）。 新华社发

工作人员在水切伦科夫探测器阵列水池里更换实验设备。 新华社发

广角切伦科夫望远镜阵列的一部分。黄海华 摄 ■本报记者 黄海华

天文学上，当探测器灵敏度上升到一个新高度，人们会看到一个新宇宙。中国“拉索”打开了观测宇宙最高能量的一扇窗。“我们的文明是最古老的文明之一，但现在的宇宙观，没有中国人的贡献。只有做出世界一流的科学成果，关于宇宙的构成和解释，我们才有话语权。”——题记

宇宙线是什么？

它以光速行进，每秒钟都在穿越我们的身体。

111年前，奥地利物理学家赫斯以非凡的勇气，乘坐气球到达5350米的高空，首次发现了宇宙线。

它是传递宇宙大事件的“信使”，携带着宇宙起源、天体演化等问题的“元密码”。有关宇宙线的探索，已获得5枚诺贝尔奖，但人类至今仍未找到宇宙线起源。绝大多数宇宙线会在星际磁场中偏转，到达地球时失去了原初的方向信息，因此无法反推其“源”的方向。这一“世纪之谜”在2014年被国际物理学界列为“新世纪11个科学问题”之一。

在中国，在世界屋脊，有一群正在追宇宙线的人。记者站上海拔4410米的四川海子山，极目远眺，也无法把高海拔宇宙线观测站“拉索”（LHAASO，简称“拉索”）这一大科学装置尽收眼底。它占地面积约1.36平方公里，相当于190个足球场大小。

这里曾经荒无人烟，缺氧，高寒。中国科学家追着宇宙线而来，从原始无人区到科研“无人区”，他们不仅创造了工程“奇迹”，而且刷新了人类探测得到的最高能量光子纪录，开启了“超高能伽马天文学时代”。国际公认，至少未来10年的高能伽马射线天文学研究属于中国的“拉索”。

非凡的科学勇气，穿越百年，在海拔4410米的高处依然耀眼。

5月10日，高海拔宇宙线观测站通过国家验收，各项指标达到或优于批复的验收指标。“拉索”成为目前世界上最灵敏的超高能伽马射线探测装置、世界上灵敏度最高的甚高能伽马射线源巡天普查望远镜，以及能量覆盖范围最宽的超高能宇宙线复合式立体测量系统。“拉索”的建成运行，使之成为目前国际粒子天体物理三大实验设施之一，对促进该领域实现重大原创突破、带动前沿交叉相关学科发展和国际合作具有重要意义。

急迫

如果用一个词来形容中科院高能所研究员曹臻提出“拉索”构想时的心情，“急迫”再贴切不过。那是在2009年的北京香山科学会议上，而欧洲早于3年前就提出了同领域另一种方式的观测计划，打算建设一个100台望远镜的阵列。

中国科学家的这种急迫，始于更早时。1954年，在海拔3180米的云南落雪山，建立了我国第一个高山宇宙线实验室。1989年至2000年，在海拔4300米的西藏羊八井相继启动了中日合作、中意合作宇宙线探测实验。

高山见证了中国科学家一次次对宇宙线的追逐。但历史有其自身规律，那时候中国的“研究与开发”总投入无法与当下同日而语，工业体系也不如现在完备。就连当时国际上最具代表性的羊八井宇宙线观测站，也只是一个小于2万平方米的单一探测器。

当时光行进到2009年，机会来了——“拉索”构想激发了学界的共鸣。

在申请立项的同时，选址工作也在同步进行。高海拔地区对于宇宙线的观测得天独厚，能够捕捉到的粒子最多，而全世界在海拔4000米有布设基础设施条件的地方本就不多，一是青藏高原，二是南美的安第斯山脉。“拉索”团队在5年里跑遍了西藏、青海、云南、四川等地。

“拉索”首席科学家、项目经理曹臻第一次来海子山踏勘就遇到了狼，“它就在山头上蹲着，几乎每个夜晚都能听见狼叫声”。

明明是苦寒之地，四川海子山为何被科学家相中？“交通便利，距最近的国道仅百米之遥，距稻城亚丁机场10公里。光纤网距站址200米，确保了海量数据的收集和传输。地势平坦，最大落差仅30米，便于探测器阵列的布局与安装。还有着丰富的优质水源。”

2015年最后一天，辞旧迎新之际，“拉索”获国家发改委批复立项。

奇迹

建设“拉索”期间最多时有600多位工人同场作业，这让国外天文学界颇为吃惊。毋庸置疑，“拉索”本身就已是一个工程上的“奇迹”。

不妨先来感性认识一下“拉索”：它由三大阵列组成，若从高空俯瞰，它像是一枚外圆内方的“铜钱”。中间主体建筑像一个“品”字，它是7.8万平方米的水切伦科夫探测器阵列，这个世界上面积最大的人工水体探测器，相当于6个足球场大小，其纯净水体为35万吨，相当于190个标准泳池的水量。若是划船巡检一圈，需要好几个小时；围绕着“品”字，有1188个土堆，这是缪子探测器，每个土堆都绑着固沙用的“红头绳”。土堆空隙处，点缀着5216个电磁粒子探测器，为防日晒雨淋，上面罩着白布或绿布；在这片广袤场地的一角，18台广角切伦科夫望远镜俯仰有度，静静矗立。

记者行走在这三个阵列之间，既感叹这一科学装置之“大”，更感佩中国科学家为探究前沿科学问题的投入之“深”。

一脸黝黑的“拉索”项目副经理兼总工艺师、中科院高能所研究员何会海，身着一件蓝马甲，背上写着“4410米”。这像是一种无声的提醒，在海拔4410米处，说话是体力劳动，跑跳是危险行为，就连一呼一吸甚至也成为被关注的事情。

“有位建筑工人，来的时候白白净净，几天后就胡子拉碴，衣服上全是油污，乍一看都认不出是同一个人。小伙子当时因高原反应很难受，但他说，能为国家做点事情很自豪。为抢进度，工人们还自发三班倒。”中科院高能所高级工程师冯少辉说，但也有一半工人因为无法适应高原环境而离开。

科研人员更是拼了。“有同事一年在山上待了300多天，因为要盯现场。后来只能硬性规定一次上山绝不许超过两个月。我们每个人都有一个箱子，随时准备出差，抬起脚说走就能走。”何会海告诉记者。“拉索”的零部件都是非标产品，作为总工艺师，他几乎跑遍了中标的70个厂家，行程最紧时曾经20天出了12趟差。

“无论有多大的困难，都要去克服……克服就是要去做这个做不了的事情。”记者在海子山上发现了写有这句话的木牌。曹臻回忆，在铺设缪子探测器时，山顶上也布局了几个，但由于施工太困难，一开始放弃了，后来发现这对观测有很大影响，于是提出“再困难也要干”。

因为海子山冬季太冷，无法进行基建施工，于是设备安装就被安排在了冬季。“这里的最低温度是零下35℃，我在咬牙坚持的时候，看看旁边的同事，他也在咬牙坚持。于是，我们继续咬牙坚持。”中科院高能所副研究员刘成说，至今留存在他心底的并不是工作多么辛苦，而是那漫天飞舞的雪花。

突破

一个大科学装置的建设，往往会带来诸多技术突破，甚至是跨越。

就拿水切伦科夫探测器阵列来说，这是科研人员原先最不熟悉的一种探测器。为探测到非常微弱的切伦科夫光，需要在水底安装晶莹剔透的巨型“玻璃泡泡”，也就是20英寸光电倍增管，它可以将微弱的光信号转化成电信号。“原本世界上只有一家公司能生产这一设备，我国北方夜视公司与中科院高能所合作将其国产化，并将时间响应提高了3倍，在世界上属于首创。”中科院高能所研究员陈明君说。

“中标单位原以为我们要的是‘拖拉机’，没想到最后的性能需求堪比‘跑车’。”冯少辉提及的正是水切伦科夫探测器的水池工程，避光、防渗、防腐、保温，是对35万吨水体的起码要求。“一旦结冰就是灾难性的，因此水体温度的昼夜浮动幅度必须保持在0.05℃以内，总水量每天的变化率要控制在3‰以内，轻钢屋面在饱和水蒸气环境下要长期不生锈。”这一“小体量”工程实现了国内高寒地区的诸多创举，以全票通过获得四川省建设工程天府杯金奖，而天府杯以往主要奖励“大体量”工程。

记得《爱丽丝梦游仙境》里的兔子先生吗？它浑身挂满了表，任意时刻可以同时出现在多个地方。“‘拉索’阵列有上万个单元，相当于有上万块表，我们在世界上首次将‘对表’精度控制在了0.2纳秒，这样可以精确地计算宇宙线入射方向。”何会海说。

18台蓝色望远镜，是高原上的一抹亮色。即使在有月亮的晚上，它们也能如常观测，突破了传统切伦科夫望远镜无法在月夜工作的“短板”，实现有效观测时间的成倍增长。

2460公里，这是从海子山到地处北京的中科院高能所的距离。让记者惊讶的是，建在海子山上的数据中心竟然可以做到“无人值守”，而且科研人员采用特殊的数据筛选技术，对海量数据进行无损压缩，实现了跨越2460公里的数据实时传输。“早些年在西藏羊八井时，我们的数据传输主要靠邮寄磁带，3个月寄一次。现在‘拉索’不仅可以实时传输，还能远程在线维护。”何会海说。

宇宙

“我现在的心情很兴奋，因为出了这么多突破性成果。”曹臻告诉记者，相比14年前提出“拉索”构想时的“急迫”，现在的他更加从容。而当时欧洲计划做一个100台望远镜的阵列，至今只造了一台望远镜。

得益于超高的探测灵敏度，“拉索”一直是边建设边运行。人类直到2019年才探测到首个超高能伽马射线源，而时隔两年，刚建设了一半的“拉索”就将超高能伽马射线源数量提升到了12个，刷新了人类观测到的最高能量光子，开启了全球学界瞩目的“超高能伽马天文学”时代。

如同“日地距离”是一个常用天文单位，蟹状星云的亮度作为“标准烛光”也是一个常用天文单位。“拉索”则对蟹状星云进行了前所未有的精确测定，发现1000万亿电子伏的伽马光子，挑战了理论极限。

当宇宙线进入大气层，会产生许多次级粒子，最多可达百亿粒，宛如下了一场粒子“阵雨”。“拉索”就像一个全天候“集雨”装置，与世界同类装置相比，它海拔最高、规模最大、灵敏度最强。

“拉索”打开了观测宇宙最高能量的一扇窗，国际天体物理会议现在逢会必谈“拉索”。目前，“拉索”面向国内外全面开放共享，已有28个天体物理研究机构成为其国际合作组成员单位。

天文学上，当探测器灵敏度上升到一个新高度，人们会看到一个新宇宙，这是可期的。但它具体什么样子，是不可期的。“我们的文明是最古老的文明之一，但现在的宇宙观没有中国人的贡献。只有做出世界一流的科学成果，关于宇宙的构成和解释，我们才有话语权。我们是‘拉索’的建造人，因此是最懂‘拉索’的人，理应做出最好的成果。”这群追宇宙线的人说。

相关链接

什么是切伦科夫效应？

——以发现人、苏联物理学家切伦科夫命名。宇宙线的带电粒子能量比较高，如果它们的速度超过介质中的光速，会发生切伦科夫效应，即沿着粒子前进方向会产生一个光锥，类似于飞机超音速时发生的“音爆”现象。这一过程可在空气或水中发生，空气中发生的是大气切伦科夫光，水中发生的是水切伦科夫光。

缪子是什么？

——缪子是自然界的基本粒子之一，具有极强的穿透能力，由卡尔·安德森发现。他在研究宇宙线时发现，这种粒子在穿过磁场时弯曲的形态与已知粒子不同，它的弯曲度比电子小，却比质子大。

“甚高能”和“超高能”是什么意思？

——甚高能一般指1000亿电子伏特-100万亿电子伏特。超高能一般指100万亿电子伏特以上。