徐浩煊 四川日報全媒體記者 徐莉莎
5月10日，中國科學(xué)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(biāo)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(dāng)今最重要的科學(xué)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(xué)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(xué)家，解開宇宙起源、天體演化的秘密。
2009年，當(dāng)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(dá)半個多世紀(jì)的跟跑，穩(wěn)穩(wěn)當(dāng)當(dāng)站到了領(lǐng)先位置——在高能伽馬射線天文領(lǐng)域的研究達(dá)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(xué)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(dāng)年面對的質(zhì)疑
“你們花這么多錢建這個東西，沒準(zhǔn)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(biāo)志性的一天，項目經(jīng)理、首席科學(xué)家曹臻已經(jīng)準(zhǔn)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)??！暗牵钪婢€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?！辈苷檎f。
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(xué)裝置的規(guī)劃，你們可以考慮提一個大的宇宙線項目。”
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(jì)70年代，實驗室才進(jìn)入“可用的狀態(tài)”。即便是上世紀(jì)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(fēng)光——整個研究幾乎被日方主導(dǎo)。
“過去更多的是跟跑，能不能借這個大科學(xué)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(jìn)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’?！辈苷榻榻B，拉索就像一個大型“集雨”裝置，將地面粒子探測與望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡組成，靈敏度、覆蓋范圍均達(dá)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(xué)會議上，曹臻提出在高海拔地區(qū)建設(shè)大型復(fù)合探測陣列拉索的完整構(gòu)想。
也是那一年，當(dāng)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(yuǎn)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(zhǔn)將來什么也看不見?！?/p>
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。”項目副經(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。“最初的選址并不在這里?！辈苷榛貞?，一開始選址在山后大概1公里遠(yuǎn)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(biāo)一臺跑車的性能”
大科學(xué)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(yán)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(biāo)、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(xué)?！?/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(fù)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?；貞?，最初當(dāng)?shù)卣鰣銎綍r，用的都是當(dāng)?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(dá)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(dá)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(xué)探測裝置，項目建設(shè)的水切倫科夫探測器必須要達(dá)到相關(guān)指標(biāo)——要有一個避光、防腐、保溫、防滲的外殼。
避光，為了進(jìn)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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?！辈苷檫@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(xué)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(xué)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(dá)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(jìn)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(zhǔn)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(fēng)霜、判若兩人。”馮少輝問他，待了這么久，習(xí)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?！睘榱吮ＷC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?！鞍褍H有的錢給項目部，先拿去供材料。”
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(yuǎn)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(zhǔn)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’?！甑巍w落的速度是光速，到達(dá)不同探測器的時間差也就是十納秒量級。”曹臻說。
“小白兔”原本是加速器中的授時技術(shù)，當(dāng)時的對時精度只有1納秒。來自清華大學(xué)的合作團隊克服重重困難，把對時精度提高了5倍，達(dá)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(yuǎn)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(xué)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(fù)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(xué)術(shù)期刊《自然》《科學(xué)》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(jì)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。”曹臻從不回避談?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?！癕AGIC什么也沒看到?！?/p>
曹臻曾經(jīng)和《科學(xué)》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(rèn)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?！辈苷闊o力反駁。
隨著在《自然》《科學(xué)》上連發(fā)成果，曾被外界質(zhì)疑的拉索，一次次被科學(xué)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(biāo)，還準(zhǔn)備在南半球建立類似的裝置超過我們?！辈苷檎f。
“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(dāng)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(fù)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(rèn)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(xué)成果，解釋宇宙的話語權(quán)才會逐漸回到我們這里?！?/p>
