“拉索”7年：如何成為全球獨(dú)一無(wú)二

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從“九章”量子計(jì)算原型機(jī)到新一代人工智能，從“奮斗者”號(hào)全海深載人潛水器到解密衰老……面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)、面向國(guó)家重大需求、面向人民生命健康，“十三五”期間，中國(guó)科學(xué)院用實(shí)實(shí)在在的成果擔(dān)起了新時(shí)代科技創(chuàng)新的使命。

本報(bào)今起開設(shè)“‘十三五’科技創(chuàng)新成就巡禮”欄目，通過(guò)講述一系列重大成果背后的故事，展現(xiàn)中科院作為“國(guó)家隊(duì)”“國(guó)家人”，心系“國(guó)家事”、肩扛“國(guó)家責(zé)”的使命擔(dān)當(dāng)。

在青藏高原最大的古冰體遺跡——海子山上，位于海拔4410米的高處，有一個(gè)占地面積達(dá)1.36平方公里的巨大“圓盤”。

它的任務(wù)是接住從外太空灑向地面的帶電粒子。

當(dāng)這些粒子穿過(guò)稀薄的大氣落到“圓盤”上時(shí)，科學(xué)家可以通過(guò)與“圓盤”相連的計(jì)算機(jī)，挖掘出粒子帶來(lái)的信息，并由此觸及宇宙的奧秘。

這個(gè)“圓盤”名叫“拉索”，全稱是“高海拔宇宙線觀測(cè)站”（LHAASO），由國(guó)家發(fā)展改革委立項(xiàng)支持建設(shè)。中國(guó)科學(xué)家用了7年將它建成。

這個(gè)全球獨(dú)一無(wú)二的觀測(cè)站，把人類與宇宙連在了一起。

“我們能不能達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先？”

看似空空蕩蕩的星際空間里，有許多肉眼無(wú)法看見的粒子在以接近光速的速度飛行，其中不少粒子會(huì)“撞上”地球。

1912年，奧地利物理學(xué)家赫斯乘坐氣球飛到5000米高空時(shí)，確證了這些來(lái)自宇宙的不速之客，從此，人類有了一條探索宇宙奧秘的新線索——宇宙線。

中國(guó)的宇宙線研究幾乎與新中國(guó)同齡。新中國(guó)成立初期，王淦昌、張文裕、何澤慧、肖健等科學(xué)家回國(guó)，開啟了中國(guó)宇宙線觀測(cè)研究。

他們?cè)诶ッ鳀|川一座3200米的山峰上建設(shè)了中國(guó)第一個(gè)宇宙線實(shí)驗(yàn)室——落雪站。

改革開放后，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員譚有恒到日本留學(xué)。

日本先進(jìn)的綜合性空氣簇射陣列讓他產(chǎn)生了在中國(guó)做類似實(shí)驗(yàn)的想法。

回國(guó)后，他積極申請(qǐng)經(jīng)費(fèi)，希望在中國(guó)建設(shè)世界級(jí)宇宙線觀測(cè)基地。

“要使中國(guó)的生產(chǎn)和技術(shù)具有持續(xù)發(fā)展的活力，必須有自己的基礎(chǔ)科研作背景?！痹谝环莶牧现?，譚有恒如是寫道。

1989年，譚有恒等人提出在西藏建立第一代伽馬天文探測(cè)器——羊八井宇宙線國(guó)際觀測(cè)站。

1992年，作為譚有恒的學(xué)生，曹臻成為羊八井宇宙線國(guó)際觀測(cè)站的第一個(gè)值班人員。

“在那之后，我們已經(jīng)基本上在國(guó)際上處于第一梯隊(duì)，但仍不算領(lǐng)先，所以我們就在思考，如果說(shuō)國(guó)家再給一次比較大的支持，我們能不能達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先？”曹臻回憶。

這次思考的結(jié)果就是“拉索”的誕生。作為中國(guó)第三代宇宙線研究者，如今已是“拉索”首席科學(xué)家的曹臻記得，“拉索”方案形成過(guò)程中，他們?cè)诳茖W(xué)目標(biāo)和工程技術(shù)實(shí)現(xiàn)能力之間反復(fù)平衡與取舍。

2015年12月31日，“拉索”方案經(jīng)過(guò)中科院和國(guó)家層面的層層選拔后脫穎而出，獲得國(guó)家發(fā)改委批準(zhǔn)立項(xiàng)。

“邊建設(shè)，邊運(yùn)行”

把“拉索”建在海子山上，是曹臻和選址團(tuán)隊(duì)在立項(xiàng)之前歷時(shí)5年才決定的。

宇宙線容易受到大氣層的影響，因此，宇宙線觀測(cè)站需要建在空氣稀薄的高海拔地域。

5年里，為了給“拉索”找個(gè)合適的地方，曹臻等人跑遍了西藏、青海、云南、四川等所有具備高海拔特征的區(qū)域，最后發(fā)現(xiàn)只有海子山能滿足“天時(shí)地利人和”的所有條件。

選址團(tuán)隊(duì)成員、“拉索”建安分總體負(fù)責(zé)人吳超勇記得，“拉索”所在的場(chǎng)地里河道遍布，稍有不慎就會(huì)一腳踏進(jìn)沼澤，大家只能在一塊塊石頭上跳著往前走。

這里的氣候條件對(duì)施工來(lái)說(shuō)也是挑戰(zhàn)?！疤涞臅r(shí)候，這里無(wú)法進(jìn)行混凝土施工，施工建設(shè)的時(shí)間大概是從每年5月到10月底，一共不到6個(gè)月?！眳浅抡f(shuō)。

即便如此，在曹臻眼中，這里仍是塊“寶地”：“海子山海拔高，可以減少大氣對(duì)宇宙線粒子的影響；地勢(shì)平坦，有充足的水資源，可以滿足大量超純凈水的需求；各級(jí)地方政府也高度重視，大力支持?！?/span>

2017年，“拉索”主體工程動(dòng)工。為克服環(huán)境對(duì)工程的影響，曹臻等人提出了“邊建設(shè)，邊運(yùn)行”的思路。

按照設(shè)計(jì)，“拉索”工程包括1平方公里電磁粒子探測(cè)器陣列和有效面積達(dá)42000平方米的繆子探測(cè)器陣列、以測(cè)量簇射粒子在水中產(chǎn)生的切倫科夫光為探測(cè)技術(shù)的78000平方米探測(cè)器陣列、18臺(tái)廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列。“第一年，我們先建1/4，運(yùn)行半年，然后再建1/4，湊成1/2，再運(yùn)行半年……”曹臻說(shuō)。

“真正的突破”

2020年1月，就在他們剛剛建成一半陣列的時(shí)候，“超出人們想象”的高能粒子和“幸運(yùn)”一起降臨在這個(gè)尚未完全成型的“圓盤”上。

科研人員通過(guò)“拉索”發(fā)現(xiàn)，銀河系內(nèi)普遍存在能夠?qū)⒘Ｗ幽芰考铀俪^(guò)1拍電子伏特的超高能宇宙線加速器，這一發(fā)現(xiàn)超出了天體物理學(xué)家的預(yù)期。5月17日，成果發(fā)表于《自然》，被期刊專業(yè)副主編評(píng)價(jià)為“真正的突破”和“新時(shí)代的開始”。

在一個(gè)多月后，7月9日，《科學(xué)》上又出現(xiàn)了來(lái)自“拉索”的研究成果：科研人員利用“拉索”，精確測(cè)量了高能天文學(xué)標(biāo)準(zhǔn)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(cè)定了新標(biāo)準(zhǔn)，并由此確定在大約僅為太陽(yáng)系1/10大小的星云核心區(qū)內(nèi)，存在能力超強(qiáng)的粒子加速器，直逼經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)和理想磁流體力學(xué)理論所允許的加速極限。

“這是我們的幸運(yùn)！這些觀測(cè)成果已經(jīng)展現(xiàn)出‘拉索’強(qiáng)大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)威力。”由于興奮，曹臻的臉微微有些泛紅。

“照著這個(gè)路子走下去”

讓曹臻如此興奮的，不只是“拉索”出了兩個(gè)成果，更在于這兩項(xiàng)成果證明“‘拉索’的方向是對(duì)的”。“未來(lái)十年，我們的研究?jī)?nèi)容、研究方向都由此明確了。照著這個(gè)路子走下去，一定會(huì)產(chǎn)出更加重大的科技成果。”曹臻說(shuō)。

今年10月17日，“拉索”通過(guò)工藝驗(yàn)收，進(jìn)入科學(xué)運(yùn)行階段?！皣?guó)際科學(xué)家已經(jīng)把目光投向了‘拉索’，不少國(guó)際科研團(tuán)隊(duì)提出希望加入我們的科研合作組?！辈苷檎f(shuō)。

最近，美國(guó)國(guó)家科學(xué)院、工程院和醫(yī)學(xué)院發(fā)布了其最新的10年調(diào)查結(jié)果，概述了未來(lái)10年天文學(xué)界的科學(xué)目標(biāo)，其中多次提及“拉索”作為該領(lǐng)域領(lǐng)先的項(xiàng)目，將決定本領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展方向。

由于該報(bào)告提到的3個(gè)這種級(jí)別項(xiàng)目中，只有“拉索”已進(jìn)入工作狀態(tài)，因此，“拉索”也被天體物理學(xué)家Felix Aharonian稱為“正在運(yùn)行的‘未來(lái)探測(cè)器’”。

“拉索”已經(jīng)建成運(yùn)行，但曹臻和他的團(tuán)隊(duì)并沒(méi)有因此止步。面向未來(lái)，“拉索”團(tuán)隊(duì)還有提升空間分辨能力的新設(shè)想?！拔覀冇?jì)劃在‘拉索’上再建一個(gè)由32臺(tái)望遠(yuǎn)鏡組成的陣列，這個(gè)陣列建好之后，‘拉索’相當(dāng)于又增加了一雙‘火眼金睛’，將具有超高能宇宙線****位置的識(shí)別能力，進(jìn)一步逼近最終的答案。”曹臻說(shuō)。

每每談到宇宙線探測(cè)的科學(xué)目標(biāo)，曹臻總有說(shuō)不完的話。如今，在依托“拉索”開展宇宙線研究的同時(shí)，他還帶著中國(guó)第四代和第五代宇宙線研究者走向國(guó)際，參與南部廣域伽馬射線天文臺(tái)（SWGO）的醞釀工作。

“我們還有很多想法，未來(lái)可能通過(guò)國(guó)際合作去實(shí)現(xiàn)?！辈苷檎f(shuō)。而這一國(guó)際合作被認(rèn)為“有望幫助世界各地的科學(xué)家繼續(xù)探索宇宙射線的起源，進(jìn)一步了解銀河系本身”。

《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 (2021-11-11 第1版 要聞 原標(biāo)題為《“拉索”七年：向著宇宙線研究的最前沿》)

編輯 | 趙路
排版 | 郭剛