守候神秘的“宇宙信使” 為何這么難以判斷?

新年伊始，從海子山傳來好消息：觀測站的水切倫科夫探測器陣列(WCDA)全部建成并投入科學(xué)運行。這也是拉索(英文簡稱LHAASO)4種類型的探測器陣列中最早完成的一個。

說起四川稻城縣海子山，大多數(shù)人想到的，是壯美的青藏高原風(fēng)光：高聳入云的雪山、星羅棋布的湖泊、風(fēng)情獨特的高原小鎮(zhèn)……

其實，現(xiàn)實中的海子山蠻荒而蒼涼。那里平均海拔4410米，區(qū)內(nèi)布滿了大大小小的花崗巖漂礫及形態(tài)各異的冰蝕巖盆。但這些并不妨礙它成為科學(xué)家心中少有的宇宙線觀測理想站址。我國最新一代高海拔宇宙線觀測站——拉索，就選址在這里。

拉索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。從2014年開始小規(guī)模的預(yù)先研究算起，中國科學(xué)院高能物理研究所(以下簡稱高能所)的科研人員已經(jīng)在這里奮斗了6個春秋。他們辭別妻兒、離開繁華的大都市，在這片人跡罕至的荒原安營扎寨，克服高原缺氧、高寒等困難，只為了一個目標(biāo)：守候和捕捉被稱為“宇宙信使”的高能射線，進而解開宇宙起源、天體演化的秘密。

宇宙線攜帶重要信息

神秘的“宇宙信使”本身就是組成宇宙天體的物質(zhì)成分

盡管已是隆冬時節(jié)，海子山的工地現(xiàn)場仍是一派繁忙景象。一輛輛挖掘機正在緊張作業(yè)，頭戴白色安全帽的施工人員穿梭其間，有的在指揮安放設(shè)備，有的在測量數(shù)據(jù)，還有的在調(diào)試儀器。運送物資的車輛不時開過，車一過，揚起的塵土撲面而來。

觀測站的建設(shè)一直在爭分奪秒地推進當(dāng)中。每個星期，交到拉索項目首席科學(xué)家、中國科學(xué)院高能所研究員曹臻手上的建設(shè)進度圖文報告，都有新的進展。一年多來，先行投入科學(xué)觀測的首批探測器獲取數(shù)據(jù)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)量級和分析結(jié)果也令他十分滿意。“一切都比預(yù)想當(dāng)中的還要快和好!”

宇宙線是來自宇宙空間的高能粒子，主要由質(zhì)子和多種元素的原子核組成，并包括少量電子和光子、中微子，時刻存在于我們的星球之上。

曹臻告訴記者：“宇宙線又被稱作‘銀河隕石’，或者叫做傳遞宇宙大事件的‘信使’。它們本身就是組成宇宙天體的物質(zhì)成分，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(xué)信息。因此，研究宇宙線及其起源是人類探索宇宙的重要途徑。”

1912年，奧地利科學(xué)家赫斯首次發(fā)現(xiàn)宇宙線。此后的100多年里，與之相關(guān)的探索與研究已經(jīng)產(chǎn)生了6項諾貝爾獎，但人類卻始終沒有發(fā)現(xiàn)宇宙線的起源。

宇宙線究竟來自哪里?為何這么難以判斷?

首先，捕捉高能宇宙線就極其不易。高能宇宙線的能量跨度從109到1020電子伏特，能量越高的宇宙線，代表著越劇烈的宇宙活動。但是，能量越高的宇宙線就越稀少。

曹臻說：“高能粒子的數(shù)量通常隨著能量的上升急劇下降，粒子能量每上升10倍，數(shù)量就會下降1000倍，所以最終能到達地球的高能宇宙線粒子少之又少。”

此外，宇宙線多為帶電粒子，會在傳播過程中被宇宙中無處不在的星際磁場所偏轉(zhuǎn)，等到達地球時早已失去了原初的方向信息，所以無法反推它源自何方。

盡管尋找宇宙線來源困難重重，但各國科學(xué)家們從未放棄努力，他們想盡各種辦法。

“幸好還有一個例外。”曹臻說，“宇宙線中超高能量的伽馬射線光子是電中性的，不會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，能直指其產(chǎn)生的源頭。所以，只要捕獲到它，就有可能尋找到宇宙線來自何方。”

由于宇宙線能量越高就越稀少，需要更大規(guī)模的探測器才有可能把它“捕獲”。這讓科學(xué)家把目光轉(zhuǎn)向高山實驗。高山實驗?zāi)軌虺浞掷么髿庾鳛樘綔y介質(zhì)在地面上進行觀測，對于超高能量的宇宙線觀測，目前這是唯一手段。

曹臻告訴記者，目前在建的拉索，屬于中國第三代高山宇宙線實驗室。

空中俯瞰，占地2040畝的高海拔宇宙線觀測站猶如一枚銅錢，坐落在海子山上。觀測站共有4種探測器陣列：5195個電磁粒子探測器、1188個繆子探測器、3000路水切倫科夫探測器單元，以及18臺廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡。

據(jù)曹臻介紹，宇宙線中的伽馬射線是由高能光子組成的粒子流，它進入地球大氣后會與大氣中的原子核發(fā)生碰撞，形成一系列新粒子，紛紛落到地面。拉索的這4種探測器陣列，就分別對這些從天而降的粒子進行探測。

比如，水切倫科夫探測器陣列專門用來探測能量較低的宇宙線，電磁粒子探測器陣列和繆子探測器陣列主要用于探測能量稍高的宇宙線，廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列將對宇宙線能譜進行高精度測量。

“四大陣列互相配合，對于宇宙線特征、起源等進行精密分析和研究，最終有望破解宇宙線起源難題。”曹臻說。

從陪跑到主導(dǎo)

幾代人30年接力奮斗，為中國宇宙線研究打下堅實基礎(chǔ)

作為拉索項目首席科學(xué)家，曹臻只要不用輾轉(zhuǎn)于各種研討和會議，就回到海子山工地現(xiàn)場，和同事們一起參與建設(shè)。大到整個工程的進度，小到地下管道埋放的深淺，每個細(xì)節(jié)都會一一把控。

自1987年到高能所攻讀研究生起，曹臻便與宇宙線結(jié)下了不解之緣。此后的幾十年里，他參與和見證了中國宇宙線研究領(lǐng)域的許多重要歷史時刻。

上世紀(jì)50年代，我國開始了在宇宙線領(lǐng)域的探索。

1951年，首個宇宙線研究組在中科院成立。隨后，第一代研究者張文裕、王淦昌、肖健等人便開始著手籌建高山宇宙線實驗室。3年后，在海拔3200米的云南東川落雪山上，中國第一個高山宇宙線實驗室——落雪站如期建成。實驗室使用傳統(tǒng)的云霧式探測器進行研究，當(dāng)時算得上是世界上規(guī)模最大、水平最先進的同類裝置之一。

遺憾的是，由于種種原因，落雪站直到上世紀(jì)70年代才真正投入運行使用，那時國外已有了更先進的探測裝置。

眼見與國際水平差距日漸加大，科研人員意識到，想要迎頭趕上，就必須充分了解學(xué)科的國際發(fā)展態(tài)勢和技術(shù)進步狀況，找到新的主攻方向和實驗手段。

改革開放后，時為高能所研究員的譚有恒到日本留學(xué)。日本先進的綜合性空氣簇射陣列讓他眼前一亮，產(chǎn)生了在中國做類似實驗的想法。回國后，他立即申請經(jīng)費，希望能在中國建設(shè)世界級宇宙線觀測基地。

在譚有恒等人的積極倡導(dǎo)和努力下，1989年，西藏羊八井宇宙線國際觀測站獲準(zhǔn)開始建設(shè)，計劃開展中日合作的ASgamma實驗和中意合作的ARGO—YBJ實驗。

“ASgamma實驗時期，我們經(jīng)驗很少，經(jīng)費也不足，能提供的就是地方和人力。”曹臻印象中，中方負(fù)責(zé)羊八井基地建設(shè)，日方提供陣列設(shè)備。

1990年1月，擁有45個探測器的羊八井一期小陣列和羊八井宇宙線觀測站初步建成。不久后，還是高能所研究生的曹臻，進入羊八井當(dāng)上了值班觀測人員。“我在那里的工作很簡單，就是負(fù)責(zé)錄取觀測數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)寫成并拿到國際上發(fā)表的文章，都是由日方主導(dǎo)。”

但不得不承認(rèn)，那段時期對于中國宇宙線研究的發(fā)展促進不小。

“在合作過程中，我們學(xué)習(xí)到很多東西，同時也培養(yǎng)和鍛煉了一批優(yōu)秀的青年人才。”曹臻說。

經(jīng)過前期的學(xué)習(xí)和成長，到了2000年，在中意合作的實驗項目當(dāng)中，中國的實力明顯增強。

“從建設(shè)到研究，雙方無論是在經(jīng)費，還是研發(fā)人力的投入，以及最后科學(xué)論文的完成發(fā)表上，都是按照1∶1的比例合作分配。”曹臻說，“而且，最終我們也做出了非常好的成果。”

在羊八井參與實驗期間，曹臻和同事們開始醞釀和謀劃建設(shè)新一代宇宙線觀測基地。這一次他們瞄準(zhǔn)的是國際最先進的觀測技術(shù)手段，并且完全由中國主導(dǎo)。

經(jīng)過“陪跑”到“平等”參與的這30年，曹臻認(rèn)為中國宇宙線的研究已經(jīng)有了堅實的基礎(chǔ)，“再加上國家對科技的重視和投入，我覺得是時候該研發(fā)我們自己的探測器了。”

為了讓計劃更周密完善和切實可行，曹臻和同事還進行了各種小規(guī)模的先期試驗。等待一切成熟之后，2009年，他們正式向國家提出拉索項目計劃。

隨后的5年里，曹臻帶領(lǐng)團隊跑遍了西藏、青海、云南和四川等地選址，最終選擇了四川稻城的海子山。

曹臻說：“稻城海拔高，又有機場和穩(wěn)定的電力、通信條件，水資源也很充足。再加上當(dāng)?shù)卣罅χС郑@里無疑是最為理想的站址。”

從傳承到創(chuàng)新

必須依靠自主創(chuàng)新，在前瞻性基礎(chǔ)研究領(lǐng)域掌握主動權(quán)

冬季的海子山，氣溫非常低，時常下雪，寒風(fēng)凜冽。

今年已經(jīng)是曹臻和同事們在這里奮戰(zhàn)的第三個冬天了。從基地施工現(xiàn)場到稻城縣城來回有120公里的路程，他們每天都要往返其間，早出晚歸。白天在山上干活，晚上回到縣城睡覺，中午就在山上“野餐”。

早些時候，大家的午飯基本就是一碗泡面，后來位于縣城的宿舍區(qū)建好之后，保障條件好了很多。現(xiàn)在，食堂每天都會提前做好午飯，開車運送上山。

高海拔宇宙線觀測站屬于異地建設(shè)，又在高原上，環(huán)境艱苦，資源和人力也要比平原上匱乏很多。科研人員們依據(jù)不同的探測器系統(tǒng)分成幾個小組，每個小組再分批進行輪崗。

29歲的李聰是繆子探測器系統(tǒng)現(xiàn)場安裝負(fù)責(zé)人，中等個兒，說話辦事都透著一股子聰明勁兒。2012年，當(dāng)他還在本科就讀時，就參與到羊八井實驗當(dāng)中。如今，在拉索項目建設(shè)中，李聰已經(jīng)能夠獨當(dāng)一面了。

跟隨李聰行走在觀測基地，放眼望去，周邊均勻分布著許多個大小一樣的土堆。

“這些土堆就是繆子探測器。”李聰說，“每個土堆大概有36平方米大小，土堆下是一個直徑6.8米、高1.2米的混凝土罐體，罐體中放置了裝有超純水的高反射率水袋。”

李聰告訴記者，繆子探測器主要用于測量粒子“陣雨”中的繆子含量。土堆最上面蓋的土層用來屏蔽次級粒子中的電磁成分。當(dāng)繆子進入下面罐體的水中時，產(chǎn)生切倫科夫光，水袋頂部中心的光電倍增管將接收的光信號放大，再轉(zhuǎn)化為電信號進行測量。

從2018年繆子探測器陣列開始鋪設(shè)，李聰每年大約有100天的時間在海子山上度過。

繆子探測器所處區(qū)域的地形地貌十分復(fù)雜，給設(shè)計施工增添了很大的難度。為了解決各種難題，李聰和同事們每天都要在一個個大土堆上爬上爬下，弄得灰頭土臉。有時還要加班到深夜，基地人手少，沒有專職司機接送，他們只能自己開車下山。

“山上路況復(fù)雜，天氣也變化多端，遇到雨雪冰雹天氣，路面濕滑，常常發(fā)生山體滑坡，開車時要特別小心。”李聰說。

比李聰年紀(jì)稍長的李會財，是水切倫科夫探測系統(tǒng)安裝現(xiàn)場的負(fù)責(zé)人。記者見到他時，他剛從4米多深的地下上來，工作服外套著一條黑色的橡膠下水褲，腳上穿著一雙高筒雨靴。若不是事先知道身份，你很難將眼前的這個人與科研人員聯(lián)系在一起。

“3號水池剛剛注完水，這幾天我們每天都要下去好幾趟，進行一些維修和維護工作。”李會財說，“因為下面全都是水，我們必須劃著小船。”

這些天，隨著水切倫科夫探測器陣列的建成和投入運行，李會財和團隊成員們的心情也變得輕松起來。

“現(xiàn)在回頭看，那些真都不算什么。”說起以前經(jīng)歷的各種困難，李會財顯得云淡風(fēng)輕，“我們之所以能在這樣高寒、缺氧的惡劣環(huán)境中堅持下來，是前輩們在云南、西藏吃苦耐勞的精神一直在激勵著大家。”

和前輩們相比，新一代科研人員還肩負(fù)著開拓和創(chuàng)新的使命。

曹臻說：“總是跟著別人走，永遠(yuǎn)不可能有自己的核心技術(shù)。”

曹臻認(rèn)為，拉索項目最大的創(chuàng)新之處，就是把好幾種探測技術(shù)結(jié)合在一起。“此前，在宇宙線研究領(lǐng)域里，一般都是一種探測技術(shù)的實驗。這種單一探測技術(shù)的弊端是只能測一種東西。在拉索實驗里，我們把4種探測器放在一起，共同來測量同一個事例，測完之后把所有的變量都疊加起來，就可以做出非常精細(xì)的測量。”

除了設(shè)計理念和技術(shù)路線方面的創(chuàng)新之外，在預(yù)研和建設(shè)過程中還需要突破很多新技術(shù)。

在水切倫科夫探測器陣列中，收集宇宙線信息主要靠一種看上去像燈泡的光電倍增管，它們被固定“懸”在水下，接收“散落”水中且產(chǎn)生切倫科夫光的宇宙線。納秒之間，接收到光信號的“燈泡”會產(chǎn)生一個脈沖，并將其轉(zhuǎn)化為電信號，傳輸給終端的研究人員。

在修建1號水池時，使用的都還是日本產(chǎn)的20英寸大型光電倍增管，價格非常昂貴。后來曹臻就琢磨：為什么我們不自己去研發(fā)?這樣就能省掉大量成本。

有了想法之后，大家說干就干。經(jīng)過夜以繼日的奮戰(zhàn)，科研人員們不負(fù)重托，成功自主研發(fā)出了符合探測器參數(shù)要求的大型光電倍增管，擺脫了技術(shù)依賴。

“后來的2號、3號水池里使用的20英寸大型光電倍增管都是我們自主研發(fā)的，性能相比同類有大幅提升，成本也降低了很多。”說到這些，曹臻難掩自豪。

技術(shù)創(chuàng)新之外，拉索項目的建設(shè)速度也令國際同行贊嘆不已。

曹臻說，除了水切倫科夫探測器陣列建設(shè)完成之外，其它的幾個觀測陣列也正在加緊建設(shè)，預(yù)計在2021年底就能夠全部建成并投入運行，項目二期也在計劃當(dāng)中。“目前，項目已獲得國際同行高度關(guān)注和認(rèn)可，俄羅斯、瑞士、波蘭等國科學(xué)家希望把設(shè)備搬到這里，一些國際上代表性實驗組也表達了合作及聯(lián)合觀測的愿望。拉索建成后，中國有望在宇宙線研究領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)全球領(lǐng)跑。”

(記者吳月輝)