新年伊始，從海子山傳來(lái)好消息：觀測(cè)站的水切倫科夫探測(cè)器陣列(WCDA)全部建成并投入科學(xué)運(yùn)行。這也是拉索(英文簡(jiǎn)稱LHAASO)4種類型的探測(cè)器陣列中最早完成的一個(gè)。

說(shuō)起四川稻城縣海子山，大多數(shù)人想到的，是壯美的青藏高原風(fēng)光：高聳入云的雪山、星羅棋布的湖泊、風(fēng)情獨(dú)特的高原小鎮(zhèn)……

其實(shí)，現(xiàn)實(shí)中的海子山蠻荒而蒼涼。那里平均海拔4410米，區(qū)內(nèi)布滿了大大小小的花崗巖漂礫及形態(tài)各異的冰蝕巖盆。但這些并不妨礙它成為科學(xué)家心中少有的宇宙線觀測(cè)理想站址。我國(guó)最新一代高海拔宇宙線觀測(cè)站——拉索，就選址在這里。

拉索是目前世界上海拔最高、規(guī)模最大、靈敏度最強(qiáng)的宇宙線觀測(cè)站。從2014年開(kāi)始小規(guī)模的預(yù)先研究算起，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所(以下簡(jiǎn)稱高能所)的科研人員已經(jīng)在這里奮斗了6個(gè)春秋。他們辭別妻兒、離開(kāi)繁華的大都市，在這片人跡罕至的荒原安營(yíng)扎寨，克服高原缺氧、高寒等困難，只為了一個(gè)目標(biāo)：守候和捕捉被稱為“宇宙信使”的高能射線，進(jìn)而解開(kāi)宇宙起源、天體演化的秘密。

宇宙線攜帶重要信息

神秘的“宇宙信使”本身就是組成宇宙天體的物質(zhì)成分

盡管已是隆冬時(shí)節(jié)，海子山的工地現(xiàn)場(chǎng)仍是一派繁忙景象。一輛輛挖掘機(jī)正在緊張作業(yè)，頭戴白色安全帽的施工人員穿梭其間，有的在指揮安放設(shè)備，有的在測(cè)量數(shù)據(jù)，還有的在調(diào)試儀器。運(yùn)送物資的車輛不時(shí)開(kāi)過(guò)，車一過(guò)，揚(yáng)起的塵土撲面而來(lái)。

觀測(cè)站的建設(shè)一直在爭(zhēng)分奪秒地推進(jìn)當(dāng)中。每個(gè)星期，交到拉索項(xiàng)目首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院高能所研究員曹臻手上的建設(shè)進(jìn)度圖文報(bào)告，都有新的進(jìn)展。一年多來(lái)，先行投入科學(xué)觀測(cè)的首批探測(cè)器獲取數(shù)據(jù)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)量級(jí)和分析結(jié)果也令他十分滿意。“一切都比預(yù)想當(dāng)中的還要快和好!”

宇宙線是來(lái)自宇宙空間的高能粒子，主要由質(zhì)子和多種元素的原子核組成，并包括少量電子和光子、中微子，時(shí)刻存在于我們的星球之上。

曹臻告訴記者：“宇宙線又被稱作‘銀河隕石’，或者叫做傳遞宇宙大事件的‘信使’。它們本身就是組成宇宙天體的物質(zhì)成分，攜帶著宇宙起源、天體演化、太陽(yáng)活動(dòng)及地球空間環(huán)境等重要科學(xué)信息。因此，研究宇宙線及其起源是人類探索宇宙的重要途徑。”

1912年，奧地利科學(xué)家赫斯首次發(fā)現(xiàn)宇宙線。此后的100多年里，與之相關(guān)的探索與研究已經(jīng)產(chǎn)生了6項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)，但人類卻始終沒(méi)有發(fā)現(xiàn)宇宙線的起源。

宇宙線究竟來(lái)自哪里?為何這么難以判斷?

首先，捕捉高能宇宙線就極其不易。高能宇宙線的能量跨度從109到1020電子伏特，能量越高的宇宙線，代表著越劇烈的宇宙活動(dòng)。但是，能量越高的宇宙線就越稀少。

曹臻說(shuō)：“高能粒子的數(shù)量通常隨著能量的上升急劇下降，粒子能量每上升10倍，數(shù)量就會(huì)下降1000倍，所以最終能到達(dá)地球的高能宇宙線粒子少之又少。”

此外，宇宙線多為帶電粒子，會(huì)在傳播過(guò)程中被宇宙中無(wú)處不在的星際磁場(chǎng)所偏轉(zhuǎn)，等到達(dá)地球時(shí)早已失去了原初的方向信息，所以無(wú)法反推它源自何方。

盡管尋找宇宙線來(lái)源困難重重，但各國(guó)科學(xué)家們從未放棄努力，他們想盡各種辦法。

“幸好還有一個(gè)例外。”曹臻說(shuō)，“宇宙線中超高能量的伽馬射線光子是電中性的，不會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，能直指其產(chǎn)生的源頭。所以，只要捕獲到它，就有可能尋找到宇宙線來(lái)自何方。”

由于宇宙線能量越高就越稀少，需要更大規(guī)模的探測(cè)器才有可能把它“捕獲”。這讓科學(xué)家把目光轉(zhuǎn)向高山實(shí)驗(yàn)。高山實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虺浞掷么髿庾鳛樘綔y(cè)介質(zhì)在地面上進(jìn)行觀測(cè)，對(duì)于超高能量的宇宙線觀測(cè)，目前這是唯一手段。

曹臻告訴記者，目前在建的拉索，屬于中國(guó)第三代高山宇宙線實(shí)驗(yàn)室。

空中俯瞰，占地2040畝的高海拔宇宙線觀測(cè)站猶如一枚銅錢，坐落在海子山上。觀測(cè)站共有4種探測(cè)器陣列：5195個(gè)電磁粒子探測(cè)器、1188個(gè)繆子探測(cè)器、3000路水切倫科夫探測(cè)器單元，以及18臺(tái)廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡。

據(jù)曹臻介紹，宇宙線中的伽馬射線是由高能光子組成的粒子流，它進(jìn)入地球大氣后會(huì)與大氣中的原子核發(fā)生碰撞，形成一系列新粒子，紛紛落到地面。拉索的這4種探測(cè)器陣列，就分別對(duì)這些從天而降的粒子進(jìn)行探測(cè)。

比如，水切倫科夫探測(cè)器陣列專門用來(lái)探測(cè)能量較低的宇宙線，電磁粒子探測(cè)器陣列和繆子探測(cè)器陣列主要用于探測(cè)能量稍高的宇宙線，廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列將對(duì)宇宙線能譜進(jìn)行高精度測(cè)量。

“四大陣列互相配合，對(duì)于宇宙線特征、起源等進(jìn)行精密分析和研究，最終有望破解宇宙線起源難題。”曹臻說(shuō)。

從陪跑到主導(dǎo)

幾代人30年接力奮斗，為中國(guó)宇宙線研究打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)

作為拉索項(xiàng)目首席科學(xué)家，曹臻只要不用輾轉(zhuǎn)于各種研討和會(huì)議，就回到海子山工地現(xiàn)場(chǎng)，和同事們一起參與建設(shè)。大到整個(gè)工程的進(jìn)度，小到地下管道埋放的深淺，每個(gè)細(xì)節(jié)都會(huì)一一把控。

自1987年到高能所攻讀研究生起，曹臻便與宇宙線結(jié)下了不解之緣。此后的幾十年里，他參與和見(jiàn)證了中國(guó)宇宙線研究領(lǐng)域的許多重要?dú)v史時(shí)刻。

上世紀(jì)50年代，我國(guó)開(kāi)始了在宇宙線領(lǐng)域的探索。

1951年，首個(gè)宇宙線研究組在中科院成立。隨后，第一代研究者張文裕、王淦昌、肖健等人便開(kāi)始著手籌建高山宇宙線實(shí)驗(yàn)室。3年后，在海拔3200米的云南東川落雪山上，中國(guó)第一個(gè)高山宇宙線實(shí)驗(yàn)室——落雪站如期建成。實(shí)驗(yàn)室使用傳統(tǒng)的云霧式探測(cè)器進(jìn)行研究，當(dāng)時(shí)算得上是世界上規(guī)模最大、水平最先進(jìn)的同類裝置之一。

遺憾的是，由于種種原因，落雪站直到上世紀(jì)70年代才真正投入運(yùn)行使用，那時(shí)國(guó)外已有了更先進(jìn)的探測(cè)裝置。

眼見(jiàn)與國(guó)際水平差距日漸加大，科研人員意識(shí)到，想要迎頭趕上，就必須充分了解學(xué)科的國(guó)際發(fā)展態(tài)勢(shì)和技術(shù)進(jìn)步狀況，找到新的主攻方向和實(shí)驗(yàn)手段。

改革開(kāi)放后，時(shí)為高能所研究員的譚有恒到日本留學(xué)。日本先進(jìn)的綜合性空氣簇射陣列讓他眼前一亮，產(chǎn)生了在中國(guó)做類似實(shí)驗(yàn)的想法?；貒?guó)后，他立即申請(qǐng)經(jīng)費(fèi)，希望能在中國(guó)建設(shè)世界級(jí)宇宙線觀測(cè)基地。

在譚有恒等人的積極倡導(dǎo)和努力下，1989年，西藏羊八井宇宙線國(guó)際觀測(cè)站獲準(zhǔn)開(kāi)始建設(shè)，計(jì)劃開(kāi)展中日合作的ASgamma實(shí)驗(yàn)和中意合作的ARGO—YBJ實(shí)驗(yàn)。

“ASgamma實(shí)驗(yàn)時(shí)期，我們經(jīng)驗(yàn)很少，經(jīng)費(fèi)也不足，能提供的就是地方和人力。”曹臻印象中，中方負(fù)責(zé)羊八井基地建設(shè)，日方提供陣列設(shè)備。

1990年1月，擁有45個(gè)探測(cè)器的羊八井一期小陣列和羊八井宇宙線觀測(cè)站初步建成。不久后，還是高能所研究生的曹臻，進(jìn)入羊八井當(dāng)上了值班觀測(cè)人員。“我在那里的工作很簡(jiǎn)單，就是負(fù)責(zé)錄取觀測(cè)數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)寫成并拿到國(guó)際上發(fā)表的文章，都是由日方主導(dǎo)。”

但不得不承認(rèn)，那段時(shí)期對(duì)于中國(guó)宇宙線研究的發(fā)展促進(jìn)不小。

“在合作過(guò)程中，我們學(xué)習(xí)到很多東西，同時(shí)也培養(yǎng)和鍛煉了一批優(yōu)秀的青年人才。”曹臻說(shuō)。

經(jīng)過(guò)前期的學(xué)習(xí)和成長(zhǎng)，到了2000年，在中意合作的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目當(dāng)中，中國(guó)的實(shí)力明顯增強(qiáng)。

“從建設(shè)到研究，雙方無(wú)論是在經(jīng)費(fèi)，還是研發(fā)人力的投入，以及最后科學(xué)論文的完成發(fā)表上，都是按照1∶1的比例合作分配。”曹臻說(shuō)，“而且，最終我們也做出了非常好的成果。”

在羊八井參與實(shí)驗(yàn)期間，曹臻和同事們開(kāi)始醞釀和謀劃建設(shè)新一代宇宙線觀測(cè)基地。這一次他們瞄準(zhǔn)的是國(guó)際最先進(jìn)的觀測(cè)技術(shù)手段，并且完全由中國(guó)主導(dǎo)。

經(jīng)過(guò)“陪跑”到“平等”參與的這30年，曹臻認(rèn)為中國(guó)宇宙線的研究已經(jīng)有了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，“再加上國(guó)家對(duì)科技的重視和投入，我覺(jué)得是時(shí)候該研發(fā)我們自己的探測(cè)器了。”

為了讓計(jì)劃更周密完善和切實(shí)可行，曹臻和同事還進(jìn)行了各種小規(guī)模的先期試驗(yàn)。等待一切成熟之后，2009年，他們正式向國(guó)家提出拉索項(xiàng)目計(jì)劃。

隨后的5年里，曹臻帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)跑遍了西藏、青海、云南和四川等地選址，最終選擇了四川稻城的海子山。

曹臻說(shuō)：“稻城海拔高，又有機(jī)場(chǎng)和穩(wěn)定的電力、通信條件，水資源也很充足。再加上當(dāng)?shù)卣罅χС?，這里無(wú)疑是最為理想的站址。”

從傳承到創(chuàng)新

必須依靠自主創(chuàng)新，在前瞻性基礎(chǔ)研究領(lǐng)域掌握主動(dòng)權(quán)

冬季的海子山，氣溫非常低，時(shí)常下雪，寒風(fēng)凜冽。

今年已經(jīng)是曹臻和同事們?cè)谶@里奮戰(zhàn)的第三個(gè)冬天了。從基地施工現(xiàn)場(chǎng)到稻城縣城來(lái)回有120公里的路程，他們每天都要往返其間，早出晚歸。白天在山上干活，晚上回到縣城睡覺(jué)，中午就在山上“野餐”。

早些時(shí)候，大家的午飯基本就是一碗泡面，后來(lái)位于縣城的宿舍區(qū)建好之后，保障條件好了很多。現(xiàn)在，食堂每天都會(huì)提前做好午飯，開(kāi)車運(yùn)送上山。

高海拔宇宙線觀測(cè)站屬于異地建設(shè)，又在高原上，環(huán)境艱苦，資源和人力也要比平原上匱乏很多?？蒲腥藛T們依據(jù)不同的探測(cè)器系統(tǒng)分成幾個(gè)小組，每個(gè)小組再分批進(jìn)行輪崗。

29歲的李聰是繆子探測(cè)器系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝負(fù)責(zé)人，中等個(gè)兒，說(shuō)話辦事都透著一股子聰明勁兒。2012年，當(dāng)他還在本科就讀時(shí)，就參與到羊八井實(shí)驗(yàn)當(dāng)中。如今，在拉索項(xiàng)目建設(shè)中，李聰已經(jīng)能夠獨(dú)當(dāng)一面了。

跟隨李聰行走在觀測(cè)基地，放眼望去，周邊均勻分布著許多個(gè)大小一樣的土堆。

“這些土堆就是繆子探測(cè)器。”李聰說(shuō)，“每個(gè)土堆大概有36平方米大小，土堆下是一個(gè)直徑6.8米、高1.2米的混凝土罐體，罐體中放置了裝有超純水的高反射率水袋。”

李聰告訴記者，繆子探測(cè)器主要用于測(cè)量粒子“陣雨”中的繆子含量。土堆最上面蓋的土層用來(lái)屏蔽次級(jí)粒子中的電磁成分。當(dāng)繆子進(jìn)入下面罐體的水中時(shí)，產(chǎn)生切倫科夫光，水袋頂部中心的光電倍增管將接收的光信號(hào)放大，再轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。

從2018年繆子探測(cè)器陣列開(kāi)始鋪設(shè)，李聰每年大約有100天的時(shí)間在海子山上度過(guò)。

繆子探測(cè)器所處區(qū)域的地形地貌十分復(fù)雜，給設(shè)計(jì)施工增添了很大的難度。為了解決各種難題，李聰和同事們每天都要在一個(gè)個(gè)大土堆上爬上爬下，弄得灰頭土臉。有時(shí)還要加班到深夜，基地人手少，沒(méi)有專職司機(jī)接送，他們只能自己開(kāi)車下山。

“山上路況復(fù)雜，天氣也變化多端，遇到雨雪冰雹天氣，路面濕滑，常常發(fā)生山體滑坡，開(kāi)車時(shí)要特別小心。”李聰說(shuō)。

比李聰年紀(jì)稍長(zhǎng)的李會(huì)財(cái)，是水切倫科夫探測(cè)系統(tǒng)安裝現(xiàn)場(chǎng)的負(fù)責(zé)人。記者見(jiàn)到他時(shí)，他剛從4米多深的地下上來(lái)，工作服外套著一條黑色的橡膠下水褲，腳上穿著一雙高筒雨靴。若不是事先知道身份，你很難將眼前的這個(gè)人與科研人員聯(lián)系在一起。

“3號(hào)水池剛剛注完水，這幾天我們每天都要下去好幾趟，進(jìn)行一些維修和維護(hù)工作。”李會(huì)財(cái)說(shuō)，“因?yàn)橄旅嫒际撬?，我們必須劃著小船?rdquo;

這些天，隨著水切倫科夫探測(cè)器陣列的建成和投入運(yùn)行，李會(huì)財(cái)和團(tuán)隊(duì)成員們的心情也變得輕松起來(lái)。

“現(xiàn)在回頭看，那些真都不算什么。”說(shuō)起以前經(jīng)歷的各種困難，李會(huì)財(cái)顯得云淡風(fēng)輕，“我們之所以能在這樣高寒、缺氧的惡劣環(huán)境中堅(jiān)持下來(lái)，是前輩們?cè)谠颇?、西藏吃苦耐勞的精神一直在激?lì)著大家。”

和前輩們相比，新一代科研人員還肩負(fù)著開(kāi)拓和創(chuàng)新的使命。

曹臻說(shuō)：“總是跟著別人走，永遠(yuǎn)不可能有自己的核心技術(shù)。”

曹臻認(rèn)為，拉索項(xiàng)目最大的創(chuàng)新之處，就是把好幾種探測(cè)技術(shù)結(jié)合在一起。“此前，在宇宙線研究領(lǐng)域里，一般都是一種探測(cè)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)。這種單一探測(cè)技術(shù)的弊端是只能測(cè)一種東西。在拉索實(shí)驗(yàn)里，我們把4種探測(cè)器放在一起，共同來(lái)測(cè)量同一個(gè)事例，測(cè)完之后把所有的變量都疊加起來(lái)，就可以做出非常精細(xì)的測(cè)量。”

除了設(shè)計(jì)理念和技術(shù)路線方面的創(chuàng)新之外，在預(yù)研和建設(shè)過(guò)程中還需要突破很多新技術(shù)。

在水切倫科夫探測(cè)器陣列中，收集宇宙線信息主要靠一種看上去像燈泡的光電倍增管，它們被固定“懸”在水下，接收“散落”水中且產(chǎn)生切倫科夫光的宇宙線。納秒之間，接收到光信號(hào)的“燈泡”會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，傳輸給終端的研究人員。

在修建1號(hào)水池時(shí)，使用的都還是日本產(chǎn)的20英寸大型光電倍增管，價(jià)格非常昂貴。后來(lái)曹臻就琢磨：為什么我們不自己去研發(fā)?這樣就能省掉大量成本。

有了想法之后，大家說(shuō)干就干。經(jīng)過(guò)夜以繼日的奮戰(zhàn)，科研人員們不負(fù)重托，成功自主研發(fā)出了符合探測(cè)器參數(shù)要求的大型光電倍增管，擺脫了技術(shù)依賴。

“后來(lái)的2號(hào)、3號(hào)水池里使用的20英寸大型光電倍增管都是我們自主研發(fā)的，性能相比同類有大幅提升，成本也降低了很多。”說(shuō)到這些，曹臻難掩自豪。

技術(shù)創(chuàng)新之外，拉索項(xiàng)目的建設(shè)速度也令國(guó)際同行贊嘆不已。

曹臻說(shuō)，除了水切倫科夫探測(cè)器陣列建設(shè)完成之外，其它的幾個(gè)觀測(cè)陣列也正在加緊建設(shè)，預(yù)計(jì)在2021年底就能夠全部建成并投入運(yùn)行，項(xiàng)目二期也在計(jì)劃當(dāng)中。“目前，項(xiàng)目已獲得國(guó)際同行高度關(guān)注和認(rèn)可，俄羅斯、瑞士、波蘭等國(guó)科學(xué)家希望把設(shè)備搬到這里，一些國(guó)際上代表性實(shí)驗(yàn)組也表達(dá)了合作及聯(lián)合觀測(cè)的愿望。拉索建成后，中國(guó)有望在宇宙線研究領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)全球領(lǐng)跑。”

記者手記

堅(jiān)持的力量

記得2017年第一次去海子山采訪，目光所及都是大大小小的黑色礫石，沒(méi)有樹(shù)木、河流，就連野草也只是偶有叢生。當(dāng)時(shí)，曹臻站在一塊高高的礫石上，興奮地跟我們比劃和描述著拉索建成后的模樣。如今，3年過(guò)去，再訪海子山，這里的礫石已被一臺(tái)臺(tái)探測(cè)器所取代，幾代人追求的大科學(xué)裝置已夢(mèng)想成真。

高原建設(shè)異常艱辛，在高寒缺氧、氣候惡劣、物資匱乏等極端條件下，工程建設(shè)人員和科研人員們迎難而上，堅(jiān)持不懈，勇于創(chuàng)新，攻克一個(gè)又一個(gè)難關(guān)，創(chuàng)造一個(gè)又一個(gè)奇跡。

拉索項(xiàng)目可以說(shuō)是凝結(jié)了我國(guó)三代宇宙線研究者的努力和智慧。60多年來(lái)，他們前赴后繼，深耕高原，接續(xù)奮斗，讓我國(guó)的宇宙線研究不斷發(fā)展，躋身國(guó)際宇宙線研究領(lǐng)域的第一梯隊(duì)。他們的事跡生動(dòng)詮釋了“愛(ài)國(guó)、創(chuàng)新、求實(shí)、奉獻(xiàn)、協(xié)同、育人”的科學(xué)家精神。當(dāng)前，加快實(shí)現(xiàn)科技自立自強(qiáng)，更加需要這種精神的堅(jiān)持與傳承。(記者 吳月輝)

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