解放日報(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，但人類至今仍未找到宇宙線起源。絕大多數(shù)宇宙線會在星際磁場中偏轉(zhuǎn)，到達(dá)地球時(shí)失去了原初的方向信息，因此無法反推其“源”的方向。這一“世紀(jì)之謎”在2014年被國際物理學(xué)界列為“新世紀(jì)11個科學(xué)問題”之一。
在中國，在世界屋脊青藏高原，有一群正在追宇宙線的人。解放日報(bào)·上觀新聞記者站在海拔4410米的四川海子山，極目遠(yuǎn)眺，也無法把“高海拔宇宙線觀測站”（lhaaso，簡稱拉索）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個足球場大小。
從高空俯瞰，“拉索”像是一枚外圓內(nèi)方的“銅錢”。來源：中科院高能物理所
這里曾經(jīng)荒無人煙，不僅缺氧，而且惡寒。中國科學(xué)家追著宇宙線而來，從原始無人區(qū)到科研“無人區(qū)”，他們不僅建造了一個工程“奇跡”，而且刷新了人類探測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”。國際公認(rèn)，至少未來10年的高能伽馬射線天文學(xué)研究屬于中國的“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”通過國家驗(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)合式立體測量系統(tǒng)?！袄鳌钡慕ǔ蛇\(yùn)行，使之成為目前國際粒子天體物理三大實(shí)驗(yàn)設(shè)施之一，對促進(jìn)該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大原創(chuàng)突破、帶動前沿交叉相關(guān)學(xué)科發(fā)展和國際合作具有重要意義。
解放日報(bào)·上觀新聞記者走近這群“追宇宙線的人”。
【急迫】
如果用一個詞來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。那是在2009年的北京香山科學(xué)會議上，而歐洲早于3年前就提出了同領(lǐng)域另一種方式的觀測計(jì)劃，打算建設(shè)一個100臺望遠(yuǎn)鏡的陣列。
中國科學(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，建立了我國第一個高山宇宙線實(shí)驗(yàn)室。1989年至2000年，在海拔4300米的西藏羊八井相繼啟動了中日合作、中意合作宇宙線探測實(shí)驗(yàn)。
高山見證了中國科學(xué)家一次次對宇宙線的追逐。但歷史有其自身規(guī)律，那時(shí)候中國的“研究與開發(fā)”總投入無法與當(dāng)下同日而語，工業(yè)體系也不如現(xiàn)在完備。就連當(dāng)時(shí)國際上最具代表性的羊八井宇宙線觀測站，也只是一個小于2萬平方米的單一探測器。
當(dāng)時(shí)光行進(jìn)到2009年，機(jī)會來了——“拉索”構(gòu)想激發(fā)了學(xué)界的共鳴。
在申請立項(xiàng)的同時(shí)，選址工作也在同步進(jìn)行。高海拔地區(qū)對于宇宙線的觀測得天獨(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)理曹臻第一次來海子山踏勘就遇到了狼，“它就在山頭上蹲著，幾乎每個夜晚都能聽見狼叫聲”。
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，距最近的國道僅百米之遙，距稻城亞丁機(jī)場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。地勢平坦，最大落差處僅30米，便于探測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多位工人同場作業(yè)，這讓國外天文學(xué)界頗為吃驚。毋庸置疑，“拉索”本身就已是一個工程上的“奇跡”。
不妨先來感性認(rèn)識一下“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“品”字，它是78000平方米的水切倫科夫探測器陣列，是世界上面積最大的人工水體探測器，相當(dāng)于6個足球場大小，其純凈水體為35萬噸，相當(dāng)于190個標(biāo)準(zhǔn)泳池水量。若是劃船巡檢一圈，需要好幾個小時(shí)；圍繞著“品”字，有1188個土堆，這是繆子探測器，每個土堆都綁著固沙用的“紅頭繩”。土堆空隙處，點(diǎn)綴著5216個電磁粒子探測器，為防日曬雨淋，上面罩著白布或綠布；在這片廣袤場地的一角，18臺廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡俯仰有度，靜靜矗立。
一個個土堆是繆子探測器，空隙處點(diǎn)綴著電磁粒子探測器
解放日報(bào)·上觀新聞記者行走在這三個陣列之間，既感嘆這一科學(xué)裝置之“大”，更感佩中國科學(xué)家為探究前沿科學(xué)問題的投入之“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海，身著一件藍(lán)馬甲，背上寫著“4410米”。這像是一種無聲的提醒，在海拔4410米處，說話是體力勞動，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)不出是同一個人。小伙子當(dāng)時(shí)因高原反應(yīng)很難受，但他說，能為國家做點(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;">中科院高能所高級工程師馮少輝說，但也有一半工人因?yàn)闊o法適應(yīng)高原而離開。
科研人員更是拼了。“有同事一年在山上待了300多天，因?yàn)橐F(xiàn)場。后來只能硬性規(guī)定一次上山絕不許超過兩個月。我們每個人都有一個箱子，隨時(shí)準(zhǔn)備出差，抬起腳說走就能走?！焙螘８嬖V解放日報(bào)·上觀新聞記者。“拉索”的零部件都是非標(biāo)產(chǎn)品，作為總工藝師，他幾乎跑遍了中標(biāo)的70個廠家，行程最緊時(shí)曾經(jīng)20天出了12趟差。
“無論有多大的困難，都要去克服……克服就是要去做這個做不了的事情?！苯夥湃請?bào)·上觀新聞記者在海子山上偶遇了寫有這句話的木牌。曹臻回憶，當(dāng)時(shí)在鋪設(shè)繆子探測器時(shí)，山頂上也布局了幾個，但由于施工太困難，一開始放棄了，后來發(fā)現(xiàn)這對觀測有很大影響，于是提出“再困難也要干”。
因?yàn)楹Ｗ由蕉咎?，無法進(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，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】
一個大科學(xué)裝置的建設(shè)，往往會帶來諸多技術(shù)突破，甚至是跨越。
就拿水切倫科夫探測器陣列來說，這是科研人員原先最不熟悉的一種探測器。為探測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轉(zhuǎn)化成電信號?！霸臼澜缟现挥幸患夜灸苌a(chǎn)這一設(shè)備，我國北方夜視公司與中科院高能所合作將其國產(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。
水切倫科夫探測器陣列。來源：中科院高能物理所
解放日報(bào)·上觀新聞記者在距離“拉索”60公里的測控基地看到一面特別的墻，由數(shù)十個20英寸光電倍增管的次品排列而成。它們見證了這一器件的國產(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)’，沒想到最后的性能需求堪比‘跑車’?！?/span>馮少輝提及的正是水切倫科夫探測器的水池工程，避光、防滲、防腐、保溫，是對35萬噸水體的起碼要求?！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)境下要長期不生銹?！边@一“小體量”工程實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)高寒地區(qū)的諸多創(chuàng)舉，以全票通過獲得四川省建設(shè)工程天府杯金獎，而天府杯以往主要獎勵“大體量”工程。
記得《愛麗絲夢游仙境》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)在多個地方?！啊鳌嚵杏猩先f個單元，相當(dāng)于有上萬塊表，我們在世界上首次將‘對表’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Ｕf。
18臺藍(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，突破了傳統(tǒng)切倫科夫望遠(yuǎn)鏡無法在月夜工作的“短板”，實(shí)現(xiàn)有效觀測時(shí)間的成倍增長。
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。讓解放日報(bào)·上觀新聞記者驚訝的是，建在海子山上的數(shù)據(jù)中心竟然可以做到“無人值守”，而且科研人員采用特殊的數(shù)據(jù)篩選技術(shù)，對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行無損壓縮，實(shí)現(xiàn)了跨越2460公里的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?！霸缧┠暝谖鞑匮虬司畷r(shí)，我們的數(shù)據(jù)傳輸主要靠郵寄磁帶，三個月寄一次?，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Ｕf。
【宇宙】
“我現(xiàn)在的心情很興奮，因?yàn)槌隽诉@么多突破性成果。”曹臻告訴解放日報(bào)·上觀新聞記者，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100臺望遠(yuǎn)鏡的陣列，至今只造了一臺望遠(yuǎn)鏡。
得益于超高的探測靈敏度，“拉索”一直是邊建設(shè)邊運(yùn)行。人類直到2019年才探測到首個超高能伽馬射線源，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，刷新了人類觀測到的最高能量光子，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”也是一個常用天文單位。而“拉索”對蟹狀星云進(jìn)行了前所未有的精確測定，發(fā)現(xiàn)1千萬億電子伏的伽馬光子，挑戰(zhàn)了理論極限。
當(dāng)宇宙線進(jìn)入大氣層，會產(chǎn)生許多次級粒子，最多可達(dá)百億粒，宛如下了一場粒子“陣雨”。“拉索”就像一個全天候“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”打開了觀測宇宙最高能量的一扇窗，國際天體物理會議現(xiàn)在逢會必談“拉索”。目前，“拉索”面向國內(nèi)外全面開放共享，已有28個天體物理研究機(jī)構(gòu)成為其國際合作組成員單位。
天文學(xué)上，當(dāng)探測器靈敏度上升到一個新高度，人們會看到一個新宇宙，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)在的宇宙觀沒有中國人的貢獻(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。”這群追宇宙線的人說。
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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介質(zhì)中的光速，會發(fā)生切倫科夫效應(yīng)，即沿著粒子前進(jìn)方向會產(chǎn)生一個光錐，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)，這種粒子在穿過磁場時(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-100萬億電子伏特。超高能一般指100萬億電子伏特以上。
