光明日報記者 崔興毅 通訊員 蔡雨琪
在小說《三體》中，三體人通過“智子”干擾人類粒子物理實驗，阻礙物理學的發(fā)展進程，導致了人類的科學危機。這一情節(jié)也從側(cè)面反映了粒子物理的重要性。
除了小說中提到的人為加速和對撞的方式，研究粒子物理，還有一個重要途徑就是觀測宇宙射線。在青藏高原上，有一個高海拔宇宙線觀測站，占地面積1.36平方公里，形似一個巨大“圓盤”，每天負責“捕捉”從外太空進入地球大氣層的“天外來客”——宇宙線粒子。通過觀測到達地球的宇宙線粒子、挖掘其中的信息，它把人類與宇宙連在了一起。
5月10日，國家重大科技基礎設施高海拔宇宙線觀測站（LHAASO），簡稱“拉索”，順利通過國家驗收。
海拔最高規(guī)模最大靈敏度最強
2015年12月31日，國家發(fā)改委批復立項，建造新一代宇宙線觀測站，項目由中國科學院和四川省人民政府共建，中國科學院成都分院與中國科學院高能物理研究所承擔建設，建設周期4年。
拉索建在海拔4410米的海子山上，占地面積1.36平方公里，相當于190個足球場大小，是目前世界上海拔最高、規(guī)模最大、靈敏度最強的宇宙線觀測站。
我國為什么要建設這樣一個觀測站呢？這得從它的觀測對象——“宇宙線”說起。
宇宙線是來自宇宙的“天外來客”，是高能粒子流的總稱。1912年，奧地利物理學家維克多·赫斯意外發(fā)現(xiàn)了宇宙線，為探索宇宙奧秘提供了新線索。
“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，研究宇宙線及其起源是人類探索宇宙的重要途徑?！崩黜椖渴紫茖W家、中國科學院高能所研究員曹臻指出，宇宙線來自哪里，它們又是如何被加速到千倍于人類現(xiàn)有加速器之高的能量，一直是困擾科學家的問題，也是科學家們夢寐以求的探索方向。
探索宇宙線如此重要，但想要觀測到它們并且找到它們的源頭，可不是一件容易事！
宇宙線粒子進入大氣層后，就會與大氣中的氧或氮原子核發(fā)生碰撞引發(fā)“級聯(lián)反應”（也稱“簇射過程”）。曹臻向記者介紹，這就好比一場粒子“陣雨”，可在頃刻間散布在數(shù)平方公里的面積上；而在抵達地面的路途中，大氣層會“吞噬”一部分粒子“陣雨”。
“要想趕在大氣層‘吞噬’粒子‘陣雨’之前去捕捉到盡可能多的次級粒子，就需要在高海拔地區(qū)建設大規(guī)模的觀測站?！辈苷檎f。
為了實現(xiàn)這個目標，拉索在青藏高原搭起了一張“天網(wǎng)”：在1.36平方公里的面積內(nèi)，擁有三大探測器陣列——由5216個電磁粒子探測器和1188個繆子探測器構(gòu)成的一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以及18臺廣角切倫科夫望遠鏡。
“憑借世界屋脊的海拔優(yōu)勢，搭配這四種探測技術(shù)互相配合、優(yōu)勢互補的復合測量，拉索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)?！辈苷檎f。
邊建設邊運行，結(jié)出累累碩果
2017年，拉索主體工程動工。為克服環(huán)境對工程的影響、充分利用觀測資源，曹臻等人提出了“邊建設，邊運行”的思路。
“第一年，我們先建1/4，運行半年，然后再建1/4，湊成1/2，再運行半年?！弊尣苷橐庀氩坏降氖牵?020年，僅建成1/2規(guī)模的拉索，用不到一年的觀測數(shù)據(jù)就取得了斐然的成果：通過探測落在地球上的伽馬光子，拉索發(fā)現(xiàn)了12個超高能伽馬射線源，這一成果于2021年5月17日發(fā)表在《自然》雜志上。
這一成果意味著什么？
“這個發(fā)現(xiàn)開啟了‘超高能伽馬天文學’時代?！辈苷橄蛴浾呓榻B，此前科學家認為銀河系內(nèi)的宇宙線加速器的能量極限在0.1PeV附近，并且伽馬射線能譜在0.1PeV以上有“截斷”現(xiàn)象；而此次被拉索觀測到的源都具有0.1PeV以上的伽馬輻射，也叫“超高能伽馬輻射”，這表明銀河系內(nèi)遍布拍電子伏加速器。
“這完全突破了曾經(jīng)預測的‘極限’，證實大多數(shù)源沒有截斷?？茖W家們也需要重新認識銀河系高能粒子的產(chǎn)生、傳播機制，探索極端天體現(xiàn)象及其相關(guān)的物理過程并在極端條件下檢驗基本物理規(guī)律?！辈苷楸硎?，隨著拉索的建成和持續(xù)不斷的數(shù)據(jù)積累，可以預見這一探索極端天體物理現(xiàn)象的最高能量天文學研究將給我們展現(xiàn)一個充滿新奇現(xiàn)象的未知“超高能宇宙”。
一個多月后的7月9日，《科學》雜志上出現(xiàn)了來自拉索的另一項研究成果：科研人員利用拉索，精確測量了高能天文學標準燭光——蟹狀星云的亮度，在更廣的能量范圍內(nèi)為超高能伽馬光源測定了新標準，并由此確定在大約僅為太陽系1/10大小的星云核心區(qū)內(nèi)，存在能力超強的粒子加速器，直逼經(jīng)典電動力學和理想磁流體力學理論所允許的加速極限。
“這一次拉索測量了蟹狀星云輻射的最高能量端能譜，覆蓋了從0.5萬億到1100萬億電子伏寬廣的范圍，不但確認了此范圍內(nèi)其他實驗幾十年的觀測結(jié)果，還精確測量了前所未有的超高能區(qū)，即從300萬億至1100萬億電子伏的能區(qū)?！辈苷楦嬖V記者，這項成果為該能區(qū)標準燭光設定了亮度標準，此后該領(lǐng)域的實驗必須以拉索此次測量結(jié)果為“尺”進行對標。
捷報頻傳。2022年10月9日21點17分（北京時間），拉索、“慧眼”衛(wèi)星（Insight-HXMT）和“極目”空間望遠鏡（GECAM-C）同時探測到迄今最亮的伽馬射線暴（編號GRB 221009A），這是我國首次實現(xiàn)對伽馬射線暴的天地多手段聯(lián)合觀測。
“這是一個驚人的發(fā)現(xiàn)！大家做了一個估算，在這么高能量、這么近的距離，能夠發(fā)現(xiàn)一個剛爆的伽馬射線暴，大概1000年才會出現(xiàn)一次?！闭劶斑@次伽馬射線暴，北京大學物理學院教授馬伯強非常激動，“這次觀測結(jié)果有可能關(guān)聯(lián)到新物理，包括沒有被人類證實存在的軸子，以及一些沒有被觀測的惰性中微子，為進一步探索提供了可能?！?/p>
曹臻告訴記者，本次拉索探測到的最高光子能量超過10萬億電子伏，將伽馬射線暴光子最高能量紀錄提升十多倍，在國際上首次打開10萬億電子伏波段的伽馬射線暴觀測窗口。而且，這次拉索在千億電子伏以上的甚高能區(qū)記錄到幾萬個光子信號，將給出伽馬射線暴最高能段的光變曲線最精細的測量，這對于揭示伽馬射線暴的爆發(fā)機制具有重要價值。
未來希望在南半球建更大“拉索”
“沿著拉索的發(fā)現(xiàn)，未來還有可能在伽馬天文、宇宙射線領(lǐng)域繼續(xù)產(chǎn)生重大成果，甚至對中微子探測的發(fā)展方向都會產(chǎn)生重大影響?！睂τ诶鞯摹安环茟?zhàn)績”，曹臻欣喜地表示。
談到未來的規(guī)劃，曹臻表示，拉索團隊計劃在已有的4種探測器陣列之外，將再新增一個由32臺望遠鏡組成的新陣列(LACT)。“這個陣列建好之后，拉索相當于又增加了一雙‘火眼金睛’，將具有超高能宇宙線發(fā)射位置的識別能力，有望進一步逼近最終的答案?！?/p>
如何最大化地利用和分析拉索獲取的寶貴數(shù)據(jù)也是關(guān)鍵。
今年2月13日，我國宇宙線研究的“最強大腦”——天府宇宙線研究中心落戶成都天府新區(qū)?！把芯恐行姆衷O宇宙線研究室、探測技術(shù)研究室、高海拔觀測及驗證實驗室，為拉索提供技術(shù)、實驗方面的支撐，并且深入開展拉索數(shù)據(jù)的科學分析工作。”曹臻表示，未來天府宇宙線研究中心將成為“拉索的大本營”和全球宇宙線研究的高地。
在依托拉索開展宇宙線研究的同時，中國第四代、第五代宇宙線研究者將走向世界，參與南天大視場伽馬射線天文臺（SWGO）的醞釀工作。三個月前，來自10余個國家超過80個研究單位組成的龐大研究組，已經(jīng)在雄心勃勃地計劃，未來幾年內(nèi)將在南半球建設一個大視場伽馬射線望遠鏡。
“現(xiàn)在，拉索只是在北半球看北天區(qū)，我們到南半球去建設一個類似拉索的項目，甚至比拉索的規(guī)模更大，那里有銀河系的主要部分?！辈苷橹v述著“中國造”大裝置的出海計劃。
曹臻透露，目前南半球項目正處于選址考察階段，“項目建成后，可以與位于北半球的拉索項目南北合作，進行包含銀心區(qū)域的近乎全天區(qū)的巡天掃描和時域天文研究?！?/p>
