徐浩煊 四川日報全媒體記者 徐莉莎
5月10日，中國科學院高能物理研究所(以下簡稱“中科院高能所”)傳來消息，國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——高海拔宇宙線觀測站(LHAASO，又稱“拉索”)正式通過國家驗收。
這標志著拉索正式建成，睜開“雙眼”晝夜不停地接收著來自外太空的神秘信號，對當今最重要的科學前沿課題之一——高能宇宙線起源問題發(fā)起沖擊。
宇宙線像“信使”，攜帶著宇宙起源、天體演化、太陽活動等重要科學信息，從外太空來到地球。拉索的任務(wù)就是接住它們，把收集到的信息傳遞給科學家，解開宇宙起源、天體演化的秘密。
2009年，當拉索的建設(shè)計劃提出時，中國在宇宙線研究上還處在跟跑的位置；海子山還只是青藏高原上那個最大的古冰體遺跡。
隨著拉索建成投用，我國宇宙線研究結(jié)束長達半個多世紀的跟跑，穩(wěn)穩(wěn)當當站到了領(lǐng)先位置——在高能伽馬射線天文領(lǐng)域的研究達到國際領(lǐng)先水平。
回顧拉索14年的建設(shè)歷程，也回答了我們的疑問：拉索為什么建在四川？大科學裝置建設(shè)難在哪里？我們?yōu)槭裁匆獌A盡心力走在科技前沿？
當年面對的質(zhì)疑
“你們花這么多錢建這個東西，沒準將來什么也看不見”
斑白的頭發(fā)梳理得一絲不茍，西服筆挺，為了迎接這標志性的一天，項目經(jīng)理、首席科學家曹臻已經(jīng)準備了30多年。
作為來自地球以外廣袤空間的微觀粒子，自宇宙線發(fā)現(xiàn)以來，相關(guān)探索已誕生數(shù)枚諾貝爾獎?wù)?。“但是，宇宙線的起源在哪？為什么它們有這么高能量的粒子？是怎么加速的？至今未知。”曹臻說。
2008年，曹臻接到中科院高能所通知：“國家在開展‘十二五’大科學裝置的規(guī)劃，你們可以考慮提一個大的宇宙線項目?！?/p>
這讓曹臻興奮不已。雖然我國的宇宙線研究早在1949年就已經(jīng)開始，但直到上世紀70年代，實驗室才進入“可用的狀態(tài)”。即便是上世紀八九十年代在西藏羊八井國際宇宙線觀測站與日本的合作，也并不風光——整個研究幾乎被日方主導。
“過去更多的是跟跑，能不能借這個大科學裝置建設(shè)的機會，做出世界領(lǐng)先的宇宙線觀測陣列？”曹臻想。
宇宙線進入大氣后，會與空氣發(fā)生劇烈的相互作用，產(chǎn)生次級粒子。次級粒子繼續(xù)與空氣作用，形成級聯(lián)反應(yīng)，產(chǎn)生類似陣雨的空氣簇射。
“‘陣雨’傾盆，我們要用各種各樣的容器，比如‘土堆’下的罐子、‘大棚’中的水池，還有‘大箱子’，去收集‘雨滴’。”曹臻介紹，拉索就像一個大型“集雨”裝置，將地面粒子探測與望遠鏡探測手段結(jié)合，實現(xiàn)多能區(qū)覆蓋。
一個由電磁粒子探測器、繆子探測器、水切倫科夫探測器、廣角切倫科夫望遠鏡組成，靈敏度、覆蓋范圍均達國際領(lǐng)先水平的拉索計劃，應(yīng)運而生。
2009年，在北京香山科學會議上，曹臻提出在高海拔地區(qū)建設(shè)大型復合探測陣列拉索的完整構(gòu)想。
也是那一年，當曹臻第一次在國際會議上分享拉索計劃時，同行的目光都聚焦在同類型的歐洲的切倫科夫望遠鏡陣列(CTA)計劃和美國的高海拔水切倫科夫觀測計劃(HAWC)上。不僅如此，還有人質(zhì)疑：“0.1拍電子伏特就是極限，你們花這么多錢建這個東西，沒準將來什么也看不見。”
遭受的冷眼，轉(zhuǎn)化成一股干事的勁頭。選址至關(guān)重要。要脫離大氣層的束縛，就要在海拔4000—5000米的位置找一塊足夠大的平地，且落差不超過50米，要有公路、機場和醫(yī)療機構(gòu)，要有光纖和充足的供電。所有條件綜合下來，找到一個“最大公約數(shù)”并不容易。
“四川、云南、西藏、青海四省區(qū)，幾十個備選站址，我們一個個走下來?！表椖扛苯?jīng)理、總工藝師何會海跑遍了所有備選點。
曹臻至今仍記得在甘孜稻城初見海子山的模樣?！白畛醯倪x址并不在這里?！辈苷榛貞洠婚_始選址在山后大概1公里遠的地方，但那里太潮濕，全是沼澤。
退出來以后，發(fā)現(xiàn)一處相對平坦、干燥、開闊的地方。這里有大大小小1000多個湖泊，可以滿足用水需求；鄰近國道227線，距離機場10多公里，交通便利。加之與四川省政府一拍即合，得到了鼎力支持。
天時地利人和，拉索選址稻城。
從2017年開工即面臨的極限挑戰(zhàn)
“以為只用造出一臺拖拉機，結(jié)果是對標一臺跑車的性能”
大科學裝置的建設(shè)是圍繞多年來沒能解決的問題，因此這個裝置里的每個部分，都包含著非常嚴苛的技術(shù)要求。
中科院高能所副所長董宇輝說：“要做那些突破技術(shù)極限的東西，要有宏大的目標、宏大的設(shè)備、尖端的技術(shù)、超越技術(shù)上限的做法，所有這一切才能稱之為大科學?！?/p>
拉索的極限挑戰(zhàn)，從2017年開工起就擺在眼前。海子山上地貌復雜，高寒缺氧，冰川活動產(chǎn)生了大量巨大漂礫?！罢g屋子那么大的石頭遍地都是?！?/p>
何會海回憶，最初當?shù)卣鰣銎綍r，用的都是當?shù)厝?，工人淘汰率約三成。等到了建設(shè)安裝階段，身處海拔4000多米的無人區(qū)，高寒缺氧，有工人剛下車就受不了?！敖o多少錢都不干，工人淘汰率達到50%。”
然而，更多的人留了下來，特別是上山的科研人員，一個不少。建設(shè)期間，中科院高能所的研究人員，每天穿梭在這片布滿了大小不一的花崗巖漂礫及形態(tài)各異的冰蝕巖盆的荒原上。他們通宵達旦投入工作，承受著巨大的心理壓力和體能考驗。
挑戰(zhàn)，還來自對技術(shù)極限的突破。作為一個科學探測裝置，項目建設(shè)的水切倫科夫探測器必須要達到相關(guān)指標——要有一個避光、防腐、保溫、防滲的外殼。
避光，為了進一步提高信噪比；防腐，為了水體不被污染；保溫，為了在海子山冬季零下35攝氏度的條件下，避免水體結(jié)冰造成探測系統(tǒng)的物理損壞；防滲，保證這個世界上最大的水切倫科夫探測器陣列，探測介質(zhì)穩(wěn)定。
以防滲為例，35萬噸水液面的日變化幅度，要穩(wěn)定在不大于4毫米。建設(shè)單位拿下標的時還很慶幸，以為只是建一個普通的加蓋水池，“他們以為只用造出一臺拖拉機，結(jié)果是對標一臺跑車的性能?！表椖拷ò卜挚傮w主任馮少輝說。
在沒有國標可參考的情況下，“薄壁混凝土現(xiàn)澆邊墻+軟基土工膜防滲系統(tǒng)+大跨度輕鋼屋面結(jié)構(gòu)”設(shè)計應(yīng)運而生。不僅是國內(nèi)首創(chuàng)，更滿足了探測器在避光、防凍、防銹蝕和水位保持等方面的超高指標要求。
該項目最后獲評四川省建設(shè)工程“天府杯”金獎，雖然總體投資不過1.6億元，“含金量”不高，但“含科量”極高，評選時獲得全票通過。
挑戰(zhàn)，還來自自我加壓?！盁o論有多大的困難，都要去克服，再困難都要去克服，克服就是要去做這個做不了的事情。”曹臻這句話，被做成了紅牌子，放在幾個繆子探測器之間。這話，也是在啃一塊“硬骨頭”時說的。
這是1188個繆子探測器中最難的幾個。要鏟平如房子大小的亂石堆，挖出深坑，布局探測器?？紤]到土建工程的難度，團隊最初放棄了陣列核心區(qū)域局部范圍的繆子探測器修建。但隨著一半陣列的科學運行和相關(guān)物理分析的逐漸深入，曹臻意識到缺失的陣列面積不大，但影響不小。
為了填補陣列設(shè)計之初的空白，團隊和施工建設(shè)方在工程現(xiàn)場勘查，幾易施工方案，最終在不適宜建造探測器的冰磧壟上，完成探測器的建設(shè)。
在高寒缺氧環(huán)境下的共克時艱
“在這里我待得非常難受，但是能給國家做事情，我非常自豪”
“除了我們科學家，工人團隊的困難實際上更多更具體?！辈苷檎f。最多的時候，全站工人數(shù)量達到600人。
由于高寒缺氧，稻城每年的施工季只有半年。兩個月內(nèi)要完成500多個繆子探測器的安裝，有的部件還必須在現(xiàn)場加工，趕進度的壓力可想而知。
2020年初，新冠疫情突如其來，但項目必須按計劃施工。經(jīng)與各級防疫部門溝通，來自全國各地的工人匯聚到海子山上，3月5日準時開工。
2020年9月，距離繆子探測器的完工節(jié)點還有一個月，工人也開始自發(fā)地“三班倒”。馮少輝注意到一個來自東北的工人，“小伙子剛來的時候白白凈凈，沒幾個月已經(jīng)滿面風霜、判若兩人。”馮少輝問他，待了這么久，習慣了嗎？他說：“在這里我待得非常難受，但是能給國家做事情，我非常自豪?！?/p>
也正是在這個關(guān)鍵時期，出現(xiàn)了產(chǎn)能不足、經(jīng)費緊缺的問題?！耙呀?jīng)簽好的合同，都付不出錢。”為了保證工期，工人自發(fā)地告訴項目部，任務(wù)還沒完成，先不要工錢。“把僅有的錢給項目部，先拿去供材料?！?/p>
在沖刺誓師大會上，馮少輝代表業(yè)主方講話時，哽咽到說不出話來，先給大家鞠了一躬，“謝謝大家對項目的支持!”
一同挑戰(zhàn)極限的，還有合作項目團隊。
項目的高精度多節(jié)點遠距離時鐘分配與同步系統(tǒng)，被稱為“小白兔”系統(tǒng)。這個名字源于童話故事《愛麗絲夢游仙境》。愛麗絲遇到了一只白兔，這位白兔先生一直看著手表嘟囔“天哪天哪，我要遲到了……”
拉索的“小白兔”就是幫助6000多個探測器節(jié)點精準對時的。
“拉索測量‘陣雨’落下來的方向、落在不同地方的‘雨滴’時間，來重建整場‘陣雨’。‘雨滴’飛落的速度是光速，到達不同探測器的時間差也就是十納秒量級?！辈苷檎f。
“小白兔”原本是加速器中的授時技術(shù)，當時的對時精度只有1納秒。來自清華大學的合作團隊克服重重困難，把對時精度提高了5倍，達到0.2納秒，為世界同類技術(shù)最高水平，使得拉索能夠把“宇宙信使”的方向精確到0.3°的范圍內(nèi)。
項目團隊通過自主創(chuàng)新和國際合作，完成了多項關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)。比如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，有效觀測時間大大增加；比如完全自主創(chuàng)新研發(fā)、世界上尺寸最大的光電倍增管——20英寸超大型光電倍增管，打破了國際上單一供應(yīng)商壟斷的局面，也極大提高了探測器性能。
用最好的探測器去爭取最好的發(fā)現(xiàn)
“只有做出世界一流的科學成果，
解釋宇宙的話語權(quán)才會逐漸回到我們這里”
2021年11月，拉索項目按期全面完成了國家發(fā)展和改革委員會批復的各項建設(shè)任務(wù)，成為國際高水平的超高能伽馬射線探測裝置，也是世界上重要的粒子天體物理支柱性實驗設(shè)施之一。
早在陣列試運行時，拉索就取得了突破性成果，并發(fā)表在國際頂尖學術(shù)期刊《自然》《科學》上。
2022年10月9日21時17分，拉索和高能爆發(fā)探索者、慧眼衛(wèi)星同時探測到迄今最亮的伽馬射線暴，打破了多項伽馬射線暴觀測紀錄。伽馬射線暴是宇宙中最劇烈的天體爆發(fā)現(xiàn)象，本次伽馬射線暴發(fā)生的位置，距離地球20多億光年。
“老天爺給了我們巨大的禮物?！辈苷閺牟换乇苷?wù)撊〉眠@些成果的偶然性。
歐洲人專門為射線暴的觀測建設(shè)了一臺裝置MAGIC，可射線暴發(fā)生時，歐洲正好轉(zhuǎn)到了地球背面。“MAGIC什么也沒看到。”
曹臻曾經(jīng)和《科學》雜志的編輯說：“我們有最好的探測器，因此有最好的發(fā)現(xiàn)?！?/p>
對方反駁：“我承認你們有最好的探測器，這沒有爭議，但有沒有好的發(fā)現(xiàn)，可不是由你們說了算。”曹臻無力反駁。
隨著在《自然》《科學》上連發(fā)成果，曾被外界質(zhì)疑的拉索，一次次被科學界聚焦。
目前，已有28個天體物理研究機構(gòu)成為拉索的國際合作組成員單位?！懊绹艘呀?jīng)把‘拉索’列為他們未來10年—20年的追趕目標，還準備在南半球建立類似的裝置超過我們。”曹臻說。
“希望大嗎？”記者問。曹臻笑了笑。跟跑與趕超，其實是一個螺旋交替的過程。曹臻說，過去幾十年，我們追趕別人?，F(xiàn)在我們突破了，有了世界領(lǐng)先的裝置，有了新的發(fā)現(xiàn)就必然會有新的問題。
曹臻分析，當前最具體的問題，就是拉索現(xiàn)在看到的這些射線源，實際上它的內(nèi)部是有結(jié)構(gòu)的，原來沒有預(yù)料到這個問題。所以未來的第一步，是要提高拉索的空間分辨能力，讓它能把一些復雜的結(jié)構(gòu)解析得很清楚。第二步，是現(xiàn)在找到的光源除了發(fā)出伽馬光，還會伴生中微子，因此未來還要去做中微子的探測。
“要想實現(xiàn)這些不太容易，可能就是未來一二十年的事，一直要往這個方向去奮斗、去努力?！辈苷檎f，“如何認識和理解宇宙，現(xiàn)在中國人沒有發(fā)言權(quán)。要改變這個局面，不能靠吶喊。要引領(lǐng)這個領(lǐng)域的發(fā)展，只有做出世界一流的科學成果，解釋宇宙的話語權(quán)才會逐漸回到我們這里。”
