解放日?qǐng)?bào)記者 黃海華
宇宙線是什么？
它以光速行進(jìn)，每秒鐘都在穿越我們的身體。
111年前，奧地利物理學(xué)家赫斯以非凡的勇氣，乘坐氣球到達(dá)5350米的高空，首次發(fā)現(xiàn)了宇宙線。
它是傳遞宇宙大事件的“信使”，攜帶著宇宙起源、天體演化等“元密碼”。有關(guān)宇宙線的探索，已獲得5枚諾貝爾獎(jiǎng)，但人類至今仍未找到宇宙線起源。絕大多數(shù)宇宙線會(huì)在星際磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)，到達(dá)地球時(shí)失去了原初的方向信息，因此無(wú)法反推其“源”的方向。這一“世紀(jì)之謎”在2014年被國(guó)際物理學(xué)界列為“新世紀(jì)11個(gè)科學(xué)問(wèn)題”之一。
在中國(guó)，在世界屋脊青藏高原，有一群正在追宇宙線的人。解放日?qǐng)?bào)·上觀新聞?dòng)浾哒驹诤０?410米的四川海子山，極目遠(yuǎn)眺，也無(wú)法把“高海拔宇宙線觀測(cè)站”（lhaaso，簡(jiǎn)稱拉索）這一大科學(xué)裝置盡收眼底。它占地面積約1.36平方公里，相當(dāng)于190個(gè)足球場(chǎng)大小。
從高空俯瞰，“拉索”像是一枚外圓內(nèi)方的“銅錢”。來(lái)源：中科院高能物理所
這里曾經(jīng)荒無(wú)人煙，不僅缺氧，而且惡寒。中國(guó)科學(xué)家追著宇宙線而來(lái)，從原始無(wú)人區(qū)到科研“無(wú)人區(qū)”，他們不僅建造了一個(gè)工程“奇跡”，而且刷新了人類探測(cè)得到的最高能量光子紀(jì)錄，開啟了“超高能伽馬天文學(xué)時(shí)代”。國(guó)際公認(rèn)，至少未來(lái)10年的高能伽馬射線天文學(xué)研究屬于中國(guó)的“拉索”。
非凡的科學(xué)勇氣，穿越百年，在海拔4410米的高處依然耀眼。
今天，“拉索”通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到或優(yōu)于批復(fù)的驗(yàn)收指標(biāo)，成為目前世界上最靈敏的超高能伽馬射線探測(cè)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(yuǎn)鏡，以及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)?！袄鳌钡慕ǔ蛇\(yùn)行，使之成為目前國(guó)際粒子天體物理三大實(shí)驗(yàn)設(shè)施之一，對(duì)促進(jìn)該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大原創(chuàng)突破、帶動(dòng)前沿交叉相關(guān)學(xué)科發(fā)展和國(guó)際合作具有重要意義。
解放日?qǐng)?bào)·上觀新聞?dòng)浾咦呓@群“追宇宙線的人”。
【急迫】
如果用一個(gè)詞來(lái)形容中科院高能所研究員曹臻提出“拉索”構(gòu)想時(shí)的心情，“急迫”再貼切不過(guò)。那是在2009年的北京香山科學(xué)會(huì)議上，而歐洲早于3年前就提出了同領(lǐng)域另一種方式的觀測(cè)計(jì)劃，打算建設(shè)一個(gè)100臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的陣列。
中國(guó)科學(xué)家的這種急迫，始于更早時(shí)。1954年，在海拔3180米的云南落雪山，建立了我國(guó)第一個(gè)高山宇宙線實(shí)驗(yàn)室。1989年至2000年，在海拔4300米的西藏羊八井相繼啟動(dòng)了中日合作、中意合作宇宙線探測(cè)實(shí)驗(yàn)。
高山見(jiàn)證了中國(guó)科學(xué)家一次次對(duì)宇宙線的追逐。但歷史有其自身規(guī)律，那時(shí)候中國(guó)的“研究與開發(fā)”總投入無(wú)法與當(dāng)下同日而語(yǔ)，工業(yè)體系也不如現(xiàn)在完備。就連當(dāng)時(shí)國(guó)際上最具代表性的羊八井宇宙線觀測(cè)站，也只是一個(gè)小于2萬(wàn)平方米的單一探測(cè)器。
當(dāng)時(shí)光行進(jìn)到2009年，機(jī)會(huì)來(lái)了——“拉索”構(gòu)想激發(fā)了學(xué)界的共鳴。
在申請(qǐng)立項(xiàng)的同時(shí)，選址工作也在同步進(jìn)行。高海拔地區(qū)對(duì)于宇宙線的觀測(cè)得天獨(dú)厚，能夠捕捉到最多粒子，而全世界在海拔4000米有基礎(chǔ)設(shè)施條件的地方本就不多，一是青藏高原，二是南美的安第斯山脈?！袄鳌眻F(tuán)隊(duì)在5年里跑遍了西藏、青海、云南、四川等地。
“拉索”首席科學(xué)家、項(xiàng)目經(jīng)理曹臻第一次來(lái)海子山踏勘就遇到了狼，“它就在山頭上蹲著，幾乎每個(gè)夜晚都能聽(tīng)見(jiàn)狼叫聲”。
明明是苦寒之地，四川海子山為何被科學(xué)家相中？“交通便利，距最近的國(guó)道僅百米之遙，距稻城亞丁機(jī)場(chǎng)10公里。光纖網(wǎng)距站址200米，確保了海量數(shù)據(jù)的收集和傳輸。地勢(shì)平坦，最大落差處僅30米，便于探測(cè)器陣列的布局與安裝。還有著豐富的優(yōu)質(zhì)水源?！?/p>
2015年最后一天，辭舊迎新之際，“拉索”獲國(guó)家發(fā)改委批復(fù)立項(xiàng)。這偶然地契合了幾年后“超高能伽馬天文學(xué)”序幕的開啟。
【奇跡】
建設(shè)“拉索”期間最多時(shí)有600多位工人同場(chǎng)作業(yè)，這讓國(guó)外天文學(xué)界頗為吃驚。毋庸置疑，“拉索”本身就已是一個(gè)工程上的“奇跡”。
不妨先來(lái)感性認(rèn)識(shí)一下“拉索”：它由三大陣列組成，若從高空俯瞰，它像是一枚外圓內(nèi)方的“銅錢”。中間主體建筑像一個(gè)“品”字，它是78000平方米的水切倫科夫探測(cè)器陣列，是世界上面積最大的人工水體探測(cè)器，相當(dāng)于6個(gè)足球場(chǎng)大小，其純凈水體為35萬(wàn)噸，相當(dāng)于190個(gè)標(biāo)準(zhǔn)泳池水量。若是劃船巡檢一圈，需要好幾個(gè)小時(shí)；圍繞著“品”字，有1188個(gè)土堆，這是繆子探測(cè)器，每個(gè)土堆都綁著固沙用的“紅頭繩”。土堆空隙處，點(diǎn)綴著5216個(gè)電磁粒子探測(cè)器，為防日曬雨淋，上面罩著白布或綠布；在這片廣袤場(chǎng)地的一角，18臺(tái)廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡俯仰有度，靜靜矗立。
一個(gè)個(gè)土堆是繆子探測(cè)器，空隙處點(diǎn)綴著電磁粒子探測(cè)器
解放日?qǐng)?bào)·上觀新聞?dòng)浾咝凶咴谶@三個(gè)陣列之間，既感嘆這一科學(xué)裝置之“大”，更感佩中國(guó)科學(xué)家為探究前沿科學(xué)問(wèn)題的投入之“深”。
一臉黝黑的“拉索”項(xiàng)目副經(jīng)理兼總工藝師、中科院高能所研究員何會(huì)海，身著一件藍(lán)馬甲，背上寫著“4410米”。這像是一種無(wú)聲的提醒，在海拔4410米處，說(shuō)話是體力勞動(dòng)，跑跳是危險(xiǎn)行為，就連一呼一吸甚至也成為被關(guān)注的事情。
“有位建筑工人，來(lái)的時(shí)候白白凈凈，幾天后就胡子拉碴，衣服上全是油污，乍一看都認(rèn)不出是同一個(gè)人。小伙子當(dāng)時(shí)因高原反應(yīng)很難受，但他說(shuō)，能為國(guó)家做點(diǎn)事情很自豪。為搶進(jìn)度，工人們還自發(fā)三班倒?！?span style="font-size: 14pt;">中科院高能所高級(jí)工程師馮少輝說(shuō)，但也有一半工人因?yàn)闊o(wú)法適應(yīng)高原而離開。
科研人員更是拼了?！?span style="font-size: 14pt;">有同事一年在山上待了300多天，因?yàn)橐F(xiàn)場(chǎng)。后來(lái)只能硬性規(guī)定一次上山絕不許超過(guò)兩個(gè)月。我們每個(gè)人都有一個(gè)箱子，隨時(shí)準(zhǔn)備出差，抬起腳說(shuō)走就能走?！焙螘?huì)海告訴解放日?qǐng)?bào)·上觀新聞?dòng)浾??！袄鳌钡牧悴考际欠菢?biāo)產(chǎn)品，作為總工藝師，他幾乎跑遍了中標(biāo)的70個(gè)廠家，行程最緊時(shí)曾經(jīng)20天出了12趟差。
“無(wú)論有多大的困難，都要去克服……克服就是要去做這個(gè)做不了的事情。”解放日?qǐng)?bào)·上觀新聞?dòng)浾咴诤Ｗ由缴吓加隽藢懹羞@句話的木牌。曹臻回憶，當(dāng)時(shí)在鋪設(shè)繆子探測(cè)器時(shí)，山頂上也布局了幾個(gè)，但由于施工太困難，一開始放棄了，后來(lái)發(fā)現(xiàn)這對(duì)觀測(cè)有很大影響，于是提出“再困難也要干”。
因?yàn)楹Ｗ由蕉咎?，無(wú)法進(jìn)行基建施工，于是設(shè)備安裝就被安排在了冬季?！斑@里的最低溫度是零下35攝氏度，我在咬牙堅(jiān)持的時(shí)候，看看旁邊的同事，他也在咬牙堅(jiān)持。于是，我們繼續(xù)咬牙堅(jiān)持。”中科院高能所副研究員劉成說(shuō)，至今留存在他心底的并不是工作多么辛苦，而是那漫天飛舞的雪花。
【突破】
一個(gè)大科學(xué)裝置的建設(shè)，往往會(huì)帶來(lái)諸多技術(shù)突破，甚至是跨越。
就拿水切倫科夫探測(cè)器陣列來(lái)說(shuō)，這是科研人員原先最不熟悉的一種探測(cè)器。為探測(cè)到非常微弱的切倫科夫光，需要在水底安裝晶瑩剔透的巨型“玻璃泡泡”，也就是20英寸光電倍增管，它可以將微弱的光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)?！霸臼澜缟现挥幸患夜灸苌a(chǎn)這一設(shè)備，我國(guó)北方夜視公司與中科院高能所合作將其國(guó)產(chǎn)化，并將時(shí)間響應(yīng)提高了3倍，在世界上屬于首創(chuàng)。”中科院高能所研究員陳明君說(shuō)。
水切倫科夫探測(cè)器陣列。來(lái)源：中科院高能物理所
解放日?qǐng)?bào)·上觀新聞?dòng)浾咴诰嚯x“拉索”60公里的測(cè)控基地看到一面特別的墻，由數(shù)十個(gè)20英寸光電倍增管的次品排列而成。它們見(jiàn)證了這一器件的國(guó)產(chǎn)化道路上，科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)協(xié)同攻關(guān)的不易。
一面特別的墻
“中標(biāo)單位原以為我們要的是‘拖拉機(jī)’，沒(méi)想到最后的性能需求堪比‘跑車’。”馮少輝提及的正是水切倫科夫探測(cè)器的水池工程，避光、防滲、防腐、保溫，是對(duì)35萬(wàn)噸水體的起碼要求?！耙坏┙Y(jié)冰就是災(zāi)難性的，因此水體溫度的晝夜浮動(dòng)幅度必須保持在0.05攝氏度以內(nèi)，總水量每天的變化率要控制在3‰以內(nèi)，輕鋼屋面在飽和水蒸氣環(huán)境下要長(zhǎng)期不生銹?！边@一“小體量”工程實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)高寒地區(qū)的諸多創(chuàng)舉，以全票通過(guò)獲得四川省建設(shè)工程天府杯金獎(jiǎng)，而天府杯以往主要獎(jiǎng)勵(lì)“大體量”工程。
記得《愛(ài)麗絲夢(mèng)游仙境》里的兔子先生嗎？它渾身掛滿了表，任意時(shí)刻可以同時(shí)出現(xiàn)在多個(gè)地方?！啊鳌嚵杏猩先f(wàn)個(gè)單元，相當(dāng)于有上萬(wàn)塊表，我們?cè)谑澜缟鲜状螌ⅰ畬?duì)表’精度控制在了0.2納秒，這樣可以精確地計(jì)算宇宙線入射方向?！焙螘?huì)海說(shuō)。
18臺(tái)藍(lán)色望遠(yuǎn)鏡，是高原上的一抹亮色。即使在有月亮（甚至是滿月）的晚上，它們也能如常觀測(cè)，突破了傳統(tǒng)切倫科夫望遠(yuǎn)鏡無(wú)法在月夜工作的“短板”，實(shí)現(xiàn)有效觀測(cè)時(shí)間的成倍增長(zhǎng)。
廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列的一部分
2460公里，這是從海子山到地處北京的中科院高能所的距離。讓解放日?qǐng)?bào)·上觀新聞?dòng)浾唧@訝的是，建在海子山上的數(shù)據(jù)中心竟然可以做到“無(wú)人值守”，而且科研人員采用特殊的數(shù)據(jù)篩選技術(shù)，對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)損壓縮，實(shí)現(xiàn)了跨越2460公里的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸。“早些年在西藏羊八井時(shí)，我們的數(shù)據(jù)傳輸主要靠郵寄磁帶，三個(gè)月寄一次?，F(xiàn)在‘拉索’不僅可以實(shí)時(shí)傳輸，還能遠(yuǎn)程在線維護(hù)?！焙螘?huì)海說(shuō)。
【宇宙】
“我現(xiàn)在的心情很興奮，因?yàn)槌隽诉@么多突破性成果。”曹臻告訴解放日?qǐng)?bào)·上觀新聞?dòng)浾撸?span style="font-size: 14pt;">相比14年前提出“拉索”構(gòu)想時(shí)的“急迫”，現(xiàn)在的他更加“從容”。而當(dāng)時(shí)歐洲計(jì)劃做一個(gè)100臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的陣列，至今只造了一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡。
得益于超高的探測(cè)靈敏度，“拉索”一直是邊建設(shè)邊運(yùn)行。人類直到2019年才探測(cè)到首個(gè)超高能伽馬射線源，而時(shí)隔兩年，剛建設(shè)了一半的“拉索”就將超高能伽馬射線源數(shù)量提升到了12個(gè)，刷新了人類觀測(cè)到的最高能量光子，開啟了全球?qū)W界矚目的“超高能伽馬天文學(xué)”時(shí)代。
如同“日地距離”是一個(gè)常用天文單位，蟹狀星云的亮度作為“標(biāo)準(zhǔn)燭光”也是一個(gè)常用天文單位。而“拉索”對(duì)蟹狀星云進(jìn)行了前所未有的精確測(cè)定，發(fā)現(xiàn)1千萬(wàn)億電子伏的伽馬光子，挑戰(zhàn)了理論極限。
當(dāng)宇宙線進(jìn)入大氣層，會(huì)產(chǎn)生許多次級(jí)粒子，最多可達(dá)百億粒，宛如下了一場(chǎng)粒子“陣雨”。“拉索”就像一個(gè)全天候“集雨”裝置，與世界同類裝置相比，它海拔最高、規(guī)模最大、靈敏度最強(qiáng)。
“拉索”打開了觀測(cè)宇宙最高能量的一扇窗，國(guó)際天體物理會(huì)議現(xiàn)在逢會(huì)必談“拉索”。目前，“拉索”面向國(guó)內(nèi)外全面開放共享，已有28個(gè)天體物理研究機(jī)構(gòu)成為其國(guó)際合作組成員單位。
天文學(xué)上，當(dāng)探測(cè)器靈敏度上升到一個(gè)新高度，人們會(huì)看到一個(gè)新宇宙，這是可期的。但它具體什么樣子，是不可期的。“我們的文明是最古老的文明之一，但現(xiàn)在的宇宙觀沒(méi)有中國(guó)人的貢獻(xiàn)。只有做出世界一流的科學(xué)成果，關(guān)于宇宙的構(gòu)成和解釋，我們才有話語(yǔ)權(quán)。我們是‘拉索’的建造人，因此是最懂‘拉索’的人，理應(yīng)做出最好的成果?！边@群追宇宙線的人說(shuō)。
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什么是切倫科夫效應(yīng)？
——以發(fā)現(xiàn)人、蘇聯(lián)物理學(xué)家切倫科夫命名。宇宙線的帶電粒子能量比較高，如果它們的速度超過(guò)介質(zhì)中的光速，會(huì)發(fā)生切倫科夫效應(yīng)，即沿著粒子前進(jìn)方向會(huì)產(chǎn)生一個(gè)光錐，類似于飛機(jī)超音速時(shí)發(fā)生的“音爆”現(xiàn)象。這一過(guò)程可在空氣或水中發(fā)生，空氣中發(fā)生的是大氣切倫科夫光，水中產(chǎn)生的是水切倫科夫光。
繆子是什么？
——繆子是自然界的基本粒子之一，具有極強(qiáng)的穿透能力，由卡爾·安德森發(fā)現(xiàn)。他在研究宇宙線時(shí)發(fā)現(xiàn)，這種粒子在穿過(guò)磁場(chǎng)時(shí)彎曲的形態(tài)與已知粒子不同，它的彎曲度比電子小，卻比質(zhì)子大。
“甚高能”和“超高能”是什么意思？
——甚高能一般指1000億電子伏特-100萬(wàn)億電子伏特。超高能一般指100萬(wàn)億電子伏特以上。
