拉索探寻高能宇宙线起源

　　在海拔4410米的青藏高原最大古冰体遗迹海子山上，有一个巨大“圆盘”，它的任务是为科学家们接住从外太空洒向地面的宇宙线，借此破解宇宙的密码。这个“圆盘”就是国家重大科技基础设施——高海拔宇宙线观测站（LHAASO，拉索）。

　　2023年5月10日，拉索通过国家验收。它正对当今最重要的科学前沿课题——高能宇宙线起源问题发起冲击，使我国在高能伽马射线天文领域的研究达到国际领先水平。

　　宇宙线观测站选址近5年

　　4411米的稻城亚丁机场是世界上海拔最高的民用机场，从这里一路向南，是驴友们心心念念的稻城亚丁景区，向北10公里，则是有着“稻城古冰帽”“天然石雕公园”之称的海子山。

　　十多年前，科学家为拉索选址时，这里曾是一片荒凉的无人区。“狼在山顶上蹲着，夜晚四下里可以听到狼的叫声。”回忆起选址过程，中国科学院高能物理研究所研究员、拉索项目首席科学家曹臻记忆犹新。

　　这样一个杳无人烟、乱石嶙嶙的荒原，正是探测宇宙线的最佳场所。

　　宇宙中，无数神秘的高能粒子正以接近光的速度飞驰，它们就是宇宙线。宇宙线中大部分是带电粒子，如质子、铁核等，还包括少量的电子和光子，它们时刻造访地球。宇宙线于1912年被奥地利物理学家维克托·赫斯发现，他因此获得了1936年诺贝尔物理学奖。早期宇宙线的发现，促成了粒子物理学的成型和高能人工加速器的出现。

　　“宇宙线的特点是能量非常高。目前能量最高的粒子是欧洲大型强子对撞机（LHC）加速器加速出来的，这个加速器曾经证实了‘上帝粒子’的存在，而宇宙线的能量要比它高出几千万倍。”曹臻说。

　　但宇宙线的起源是一个世纪未解之谜，曾被美国国家研究委员会列为21世纪11个最前沿的天文和物理问题之一。由于绝大多数宇宙线为带电粒子，在传播过程中会在星际磁场中发生偏转，到达地球时失去了原初的方向信息，无法反推宇宙线起源的方向。所以至今，人类仍未找到高能宇宙线起源。

　　宇宙中哪些天体是宇宙线的起源？为什么能加速如此高能量的粒子？它们是怎么加速的？要回答这些问题，需要探测超高能宇宙线。

　　宇宙线粒子进入大气层后，会与大气中的原子核相互作用产生次级粒子，它们继续和原子核相互作用，一变十、十变百，重复几十次，最终次级粒子数最高可达百亿，在空气中像一场粒子“阵雨”，在亿分之一秒散布在数平方公里的面积上，这个过程叫做空气簇射。曹臻说，宇宙线携带着宇宙起源、天体演化、太阳活动及地球空间环境等重要科学信息，是传递宇宙“大事件”的信使。科学家建造地基探测器，可以通过分析探测次级粒子，也就是这些宇宙线在大气中或到达地面后留下的痕迹，反推它们的性质和起源。

　　“几代研究者长期奋战在高海拔的雪域高原，条件极其艰苦，这使中国宇宙线研究保持在第一梯队的水平。”2009年，北京香山科学会议上，曹臻提出了在高海拔地区建设大型复合探测阵列“高海拔宇宙线观测站”的完整构想。

　　宇宙线观测站对天空纯净度有很高的要求，高海拔地区空气稀薄，有利于宇宙线穿越大气层到达地面。在云南、青海、西藏等地进行了近5年的选址后，2012年，曹臻团队最终将目光落在了四川稻城县海子山。

　　建设时植被暂时移走 建成后原样回归

　　2015年12月，拉索获得国家发改委批复立项，主体工程于2017年动工。在海子山将拉索构想变为现实，还要面临一系列挑战。

　　中科院高能所研究员、拉索项目副经理兼总工艺师何会海说，场地上遍布的巨石，每个都有一间小房子那么大，除了要把巨石阵移走、修路、通电，科研人员还要将高原上的草甸植被暂时移走。“4000米高原上的植被非常宝贵，一旦破坏，100年都长不回来。建立观测站之前，我们将植被暂时移走加以保护，建设完成后再使它们原地、原样回归。”

　　稻城县的空气稀薄而寒冷，施工期只有5-10月短短的半年时间，工作人员还要面对恶劣的气候和缺氧的环境。

　　建设拉索的过程中，工人淘汰率曾高达50%。拉索运行部主任吴超勇说，海子山是高海拔的无人区，除了高寒缺氧，这里信号弱、沟通难。“很多建筑单位的人上来，刚下车就觉得海拔太高、身体受不了，待了一个晚上就要走。年轻的工人一听这里没有网络，也不再停留。”

　　留下来的工人和科研人员一样充满情怀。让中科院高能所高级工程师、拉索建安分总体主任冯少辉感动的是，缪子探测器阵列刚开工建设时，一位白净的东北小伙告诉他，自己每天都要和身体的不适做对抗，他对这个“神秘”的研究宇宙线的大工程颇为好奇，得知自己是在为国家科研项目做建设，咬牙坚持了下来。每年10月中旬，稻城县气温就骤降至0℃，所以工人们要用6个月的时间完成一年的工程量。半年后，利落的小伙子看起来老了几岁，胡子拉碴、灰头土脸，完全看不出是同一个人。“在项目最紧迫、吃劲儿时，工人自发地先不要工资，让项目部把仅有的钱拿去供材料。”

　　2020年3月，新冠疫情让各地生产建设按下了暂停键。“当时全国范围内鲜少有人员流动，但为了保证项目顺利进行，我们2月就和四川省、稻城县各级部门沟通，全国各地会聚起来的工人来到这里，实现了3月5日按时开工。”冯少辉说。

　　在这样艰苦的条件下，科研人员硬是扛过了头疼、失眠等高原反应，没有一人掉队，实现了“零淘汰率”。室外组装过程中，科研人员头顶强烈的紫外线，赶工期时，他们直面寒冷雨雪，高原纯净美丽的星空也曾映照他们忙碌的身影。

　　拉索的“圆盘”由三大阵列组成

　　从高空俯瞰，拉索的“圆盘”由三大阵列组成，分别是5216个电磁粒子探测器和1188个缪子探测器构成的1平方公里地面簇射粒子探测器阵列、78000平方米的水切伦科夫探测器阵列、18台广角切伦科夫望远镜。这些探测器用于迎接来自外太空的“粒子雨”。

　　偌大的“圆盘”上，整齐排列着1188个小土包，每个土包里都埋着一个精密的探测器。1188个探测器拼出了宇宙线百年探测史上最大的缪子探测器阵列，覆盖4万平方米的灵敏探测面积，处于世界上“断层”第一的位置。“第二大的探测器是上世纪80年代在美国的CASA-MIA实验，它的探测器面积只有2700平方米，是我们的1/20左右。”中科院高能所正高级工程师、拉索缪子探测器阵列分总体主任肖刚说。

　　缪子探测器面积大，具有强大的宇宙线背景排除能力，可以把十万个宇宙线背景排除到剩余一个背景，使科研人员可以精准辨认出伽马光子。相应地，缪子探测器工程量在世界同类型实验中也是绝无仅有的。

　　1188个小土包的空隙里，密布着5216个绿色或者白色的点，这些“点”名叫电磁粒子探测器，它们可以测量次级粒子数密度和到达时间。中科院高能所研究员、拉索电磁粒子探测器阵列分总体主任盛祥东说，电磁粒子探测器复杂的内部结构和庞大的探测器数量，让设计、组装、调试等多个环节充满挑战。“从预言到调试，我们前前后后用了13年。”

　　“圆盘”中央，是呈“品”字形排列的三个水池，它们就是水切伦科夫探测器阵列，总面积相当于2.5个水立方。次级粒子进入水体中会产生一种非常微弱的切伦科夫光，探测器探测到切伦科夫光后，可以得出原初宇宙线的方向和能量信息。

　　巨大的水池中装有35万吨净水、超纯水，中科院高能所高级工程师、拉索通用系统负责人王博东说，它们是拉索重要的探测介质，水质的好坏直接影响探测器的性能。如此大体量的水体质量保持，在国际上没有经验

　　(上接)　　可循。由于项目使用的原水为高原地表水，受季节变化影响大，导致影响吸光度的净水水质参数总有机碳不能稳定达到标准。“我们的工艺供配水系统团队与水处理厂家、高校不断沟通、交流、实验，用了半年多时间，研制出一种合适配比的椰壳活性炭，彻底解决了这个问题。”

　　为了探测到切伦科夫光，科学家要在水池底部安装很多晶莹剔透的“玻璃泡”，它们就是光电倍增管，可以将微弱的光信号转化成电信号并放大，科研人员对其光强和到达时间进行测量分析，从而研究宇宙线信息。此前，世界上只有日本滨松公司可以生产20英寸光电倍增管，高能所科研人员成功研制了国产的“玻璃泡”，打破了国际垄断，将时间响应提高了3倍。

　　因为要放置在4.5米深的水中，光电倍增管还必须进行防水封装。水池内阴冷幽暗，平均温度为零下3℃，科研人员需要忍受难以形容的寒冷长时间进行安装调试。

　　广角切伦科夫望远镜阵列犹如拉索的一只只“眼睛”，由18个斜冲向天空的“大蓝箱子”组成，紧盯着宇宙线在大气中闪出的微弱光亮，探测宇宙线中氢、氦、铁等元素的比例。

　　“大蓝箱子”内部装着很多精密的设备，其中最核心的设备是硅光电倍增管相机。最初研制人员想使用普通的光电倍增管，但其在较强的光线下使用会降低寿命甚至烧坏，使望远镜无法在白天和有月光的晚上开机。为了确保有足够长的探测时间，科研人员攻克了重重技术难关，使用硅光电倍增管替换了普通的光电倍增管。

　　拉索开启“超高能伽马天文学”时代

　　“我们要建设一个巨大的实验装置，其中每一个部分都包含着严苛的技术要求。要突破严峻的技术挑战，不是靠几个聪明人就能完成的。”中科院高能所副所长董宇辉说，拉索项目团队聚集了拥有不同知识背景的科研人员，大家精诚团结，敢于爬最高的山、攻克世界上最难的问题，通过自主创新和国际合作，完成了多项关键核心技术攻关。

　　他们首次在大视场成像切伦科夫望远镜中大规模使用新型硅光电管，改变了这类望远镜不能在月夜工作的传统观测模式，实现了有效观测时间的成倍增长；发展了基于“小白兔”技术、适应4000米以上高海拔野外工况的大面积、多节点、高精度时钟同步技术，远距离同步精度提升到0.2纳秒，达到国际领先水平；采用特殊的数据筛选技术，对海量数据进行无损压缩，实现从海子山到高能所的实时数据传输……

　　2021年，拉索全部完成建设，成为目前世界上最灵敏的超高能伽马射线探测装置、世界上灵敏度最高的甚高能伽马射线源巡天普查望远镜，以及能量覆盖范围最宽的超高能宇宙线复合式立体测量系统。

　　受稻城气候条件限制，拉索每年施工期只有6个月，所以采取了“边建设边运行”模式。拉索的1/4规模探测装置于2019年4月投入试运行，全规模探测装置于2021年7月投入试运行。早在试运行期间，拉索已经取得多项突破性的重大科学成果。

　　据曹臻介绍，探索宇宙线要瞄准一些活动非常剧烈的天体，看其是否有能力产生极高能量的粒子。2020年，拉索在银河系内发现了大量超高能宇宙加速器候选天体，并记录到最高1.4PeV（1PeV为1000万亿电子伏，也叫“拍电子伏”）的伽马光子，这是人类观测到的最高能量光子，改变了人类对银河系粒子加速的传统认知，开启了“超高能伽马天文学”时代。

　　1PeV是什么概念？它相当于医学诊断用的X射线能量（大约1万电子伏特）的1000亿倍。

　　我们人眼所能看见的可见光，其光子能量为几个电子伏特（eV）。太阳通过内部氢核聚变所产生的伽马射线，能量达到了百万电子伏特（MeV）。

　　直到2019年，人类才探测到首个具有“超高能”（0.1PeV以上）伽马射线辐射的天体，当时，中日合作团通过西藏羊八井ASg实验，发现了能量高达0.45PeV的伽马射线。2020年，基于1/2规模的拉索不到1年的观测数据，就将“超高能”伽马射线源数量提升到了12个。

　　基于拉索的研究成果表明，年轻的大质量星团、超新星遗迹、脉冲星风云等是银河系超高能宇宙线起源的最佳候选天体，有助于破解宇宙线起源这一“世纪之谜”。这一成果发表在《Nature》（《自然》）上。

　　拉索还精确测定了标准烛光蟹状星云的超高能段亮度，这也意味着，将来要为其他天体做“超高能波段”的观测时，仍然需要先对标“标准烛光”——蟹状星云。同时，拉索发现了1千万亿电子伏伽马辐射，挑战理论极限。

　　曹臻说，目前在国际的天体物理会议上，几乎每会必谈拉索，每会必谈拍电子伏宇宙加速器（PeVatron）。“拉索的发现已经把门打开了，我们的竞争对手——国际合作的切伦科夫望远镜阵列（CTA）下一步该怎么做也成了很重要的话题。”

　　在探索浩瀚宇宙的道路上，拉索将源源不断地带来新的发现。

　　■ 新闻背景

　　高海拔宇宙线观测站（拉索）

　　拉索是以宇宙线观测研究为核心的国家重大科技基础设施，2015年12月31日，获得国家发展和改革委员会批复立项，项目由中国科学院和四川省人民政府共建，由中国科学院成都分院与中国科学院高能物理研究所承担建设，建设周期4年。拉索主体工程于2017年动工，于2021年全部完成建设。拉索项目先后通过了由主管部门中国科学院组织的工艺、建安、财务、设备资产和档案五个专业组验收。

　　拉索的建成运行，使之成为目前国际粒子天体物理三大实验设施之一，对促进该领域实现重大原创突破、带动前沿交叉相关学科发展和国际合作具有重要意义。

　　新京报记者 张璐