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科创中国行 | “拉索”:在4410米高原追寻宇宙线源头

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川西稻城海子山,独特的高原台地辽阔而平坦,许多巨石如牛群般散布在草甸间,让人不禁疑心这一切都出自匠人之手。

事实上,这里的确被大自然精心雕琢——数百万年前的冰川活动,改变了这片山川;等冰期过去,留下独特地貌,以及上千个“海子”(湖泊),海子山也因此得名。

而今,这片苍茫之地又迎来了另一种精密营造。近万个探测器布设在草甸巨石阵中,构成世界上海拔最高、规模最大、灵敏度最强的高能宇宙线观测站“拉索”。借助它,科学家们捕捉着一场场看不见的“粒子雨”,进而追寻困扰人类一个多世纪的宇宙线起源之谜。


俯瞰“拉索”。(新华社记者 金立旺 摄)

透过“粒子雨”看见高能宇宙

几年前“拉索”横空出世,开启了一个超高能伽马天文学的时代。当时,它尽管还未完全建成,就凭借远超同类设施的强大能力,让科学家在银河系中开创性地发现一大批超高能宇宙线加速器。

宇宙线是宇宙空间飞来的高能粒子,因携带着遥远天体的信息,所以常被比作宇宙信使。最强大的宇宙线,能量超过人类加速器极限的成千上万倍,这种奇观引发学界关注——它们从哪里来?怎样获得如此巨大的能量?追问这些问题,有助于理解恒星爆炸、黑洞喷流等剧烈天体活动,检验极端条件下的物理规律是否成立。

宇宙信使的来路并不好认。带电粒子受宇宙磁场偏转,抵达地球时,方向早已改变。于是,科学家转向另一条线索——伴随高能粒子而生的超高能伽马射线,其光子不带电,不受磁场偏转,可通过观测追溯源头。


借助“次级粒子雨”观测宇宙线。

“拉索”对宇宙线的观测方法非常精巧。高能宇宙线或伽马射线闯入大气后,会引发连锁反应,产生千千万万的次级粒子,如同一场从天而降的“粒子雨”,需要用探测器“接下来”,然后根据“雨滴”的成分、分布和抵达时间,推断这位天外来客的身份和轨迹。

地面探测装置犹如“守株待兔”,宇宙线能量越高,数量越稀少,想让更多“粒子雨”撞上来,就得把探测器面积做大,而“拉索”总占地面积达1.36平方公里。


4种探测器多角度捕获信号

走进“拉索”观测站场区,如同走进阅兵方阵。数千个“方盒子”与圆形土丘如士兵般整齐排列,场区中央是一片巨大屋顶,周边布置着若干集装箱般的仪器舱——这看似各不相干的设施,是4种探测器构成的协同工作系统。

“同一个物理现象,如果能用多个角度捕获信息,对它的理解就会越多,其科学价值就越大。”中国科学院院士、中国科学院高能物理研究所研究员、“拉索”首席科学家曹臻表示,“拉索”在全球首创了4种探测器组合观测模式:

地表的5216个“方盒子”是电磁粒子探测器,记录着空降粒子落在哪里、何时抵达,也帮助判断“粒子雨”的方向和规模。


“拉索”的缪子探测器和电磁粒子探测器。(受访者供图)

1188个缪子探测器,就藏在一座座土丘下方,组成世界上探测总面积最大的缪子探测器阵列,能根据缪子数量,帮助区分到访地球的是伽马射线还是带电宇宙线。

场区中央的屋顶下,是3座“品”字形排列的巨型水池,装有约35万吨纯净水,构成世界最大人工水切伦科夫探测装置。据介绍,当高速带电粒子穿过水体,会产生微弱的切伦科夫闪光,从而被池底数千个光电倍增管“看见”。


“拉索”拥有世界上最大的水切伦科夫探测装置

此外,水池外的18个仪器舱里装有18台广角切伦科夫望远镜,入夜,它们会慢慢抬头,捕捉“粒子雨”在大气中产生的闪光。


“拉索”的广角切伦科夫望远镜阵列。(新华社记者 刘坤 摄)

地面数粒子,土下辨成分,水中和空中看闪光——4种仪器各施所长,就能帮助科学家从海量“粒子雨”数据中筛选出“最有故事”的伽马射线,同时也让宇宙线自身的成分与能量测得更准。这套组合,代表了中国科学家的智慧和创造。

几代人接力圆梦世界一流

今年7月,“拉索”发表了一篇基于多年观测的成果:科学家从天鹅座X-3双星系统方位,探测到迄今最高能量的粒子加速器,并将其定位在仅约3个太阳的尺度里,实现了对此类加速器定位的最高精度。

类似的突破,近年来接连发生:从精准捕捉遥远恒星死亡时的高能余晖,到解析宇宙线能量曲线“膝”状拐点的成因,再到发现黑洞喷流与高能宇宙线起源的关联……不断涌现的成果,让“拉索”迅速走到该领域研究的世界最前列,成为国际关注的焦点。曹臻告诉记者:“现在哪个宇宙线会议要是没有‘拉索’的报告,可能就有些黯然失色。”


“拉索”的发现,破解了困扰学界多年的宇宙线“膝”形成之谜。 (新华社记者 金立旺 摄)

这份底气,来自横跨半个世纪、几代人的接续努力。

上世纪50年代,老一辈科学家在云南落雪山建立了我国第一个高山宇宙线实验站,在艰苦条件下克服重重困难,挑战前沿问题,影响了几代科研人员。

而后到八九十年代,第二代宇宙线研究人员先后与日本、意大利同行合作,从学习探测与分析技术,到共同研发,再到扎根西藏羊八井建设实验装置,国内独立开展大型宇宙线实验的人才和经验,一步步走向齐备。曹臻表示,等到中意合作实验完成,我国宇宙线研究已有能力“提供世界上最好的大科学项目”。


中国科学院院士、“拉索”首席科学家曹臻。(受访者供图)

2009年,曹臻在北京香山科学会议上首次完整提出建设“拉索”的构想。彼时,国内多年积累的技术、人才、经验,恰好与国家加大重大科技基础设施投入的机遇形成交叉,中国科学家终于具备了按照自己设定的科学目标,设计建造世界级高能宇宙线观测站的条件。

但将构想化为现实的路,曹臻和同事们又走了十几年。其中,光选址就花了6年。团队跑遍西藏、云南、青海、四川的高原,最终选定稻城海子山——这里有适合观测的海拔高度、开阔的地形、充足的水源,以及机场、公路和政府支持。当这些天时地利汇聚在4410米的高原,就给宇宙线研究提供了难得的良好环境。

2015年底项目建议书获批,2017年主体工程开工,“拉索”项目的建设者和参与者在高寒缺氧的风中,在阴冷潮湿的水面,携手跨越土建、设备安装、仪器调试等难关。2021年,“拉索”全部建成,2023年通过国家验收。

在持续追问中开启新探索

建一座大科学装置,究竟是为什么?曹臻答得干脆:“探索宇宙、增长知识,这是我们唯一的目的。”围绕超高能宇宙线,那些尚无答案的问题,让曹臻一直兴味盎然。

同时,“拉索”团队还抱有一份更深的信念:在他们看来,历史不断证明,一个国家随着国力增长,必然要在前沿科学领域成为领头羊,为文明进步作更大贡献。这构成了中国科学家、中国大科学装置的历史机遇和担当。

“拉索”在不断发现,也在不断追问,新的探索业已展开。目前,团队正在推进新一代宇宙线观测项目。其中在海子山,由30多台大型切伦科夫望远镜组成的LACT(大型超高能伽马源立体跟踪装置)正在建设,将与“拉索”现有的探测器形成协同,对已知超高能伽马射线源作更精细的观测。


正在建设的大型超高能伽马源立体跟踪装置(LACT)。 (新华社记者 刘坤 摄)

同时,另一些科研人员把工作重心投向海洋和湖泊,正在预研的高能中微子望远镜HUNT,希望在千米深的水下打造体量惊人的新一代超级望远镜,借助中微子“钥匙”破解宇宙线之谜。

仰望星空永无止境,但更多努力藏在琐碎的日常里。

在“拉索”,记者见到了不少年轻人。他们有的来自高能所,接到征召就辞别家人,放下论文,从北京奔赴海子山,扛住高原反应,查故障,换配件,用技术排除疑难问题,一干就是一个多月。有的是土生土长的本地人,他们日复一日、年复一年,在现场巡检、排查,用辛勤和责任心,确保“拉索”持续给出可靠的数据。

在采访电磁粒子探测器巡检员电珠时,记者偶然得知,这位藏族小伙拿出了家中200多平方米的屋子,和高能所的老师合办了一间有500多册藏书的科普图书馆,以满足当地孩子们被“拉索”激起的科学兴趣。电珠说,村子附近原本适合儿童看书的地方很少,图书馆办起来后,孩子们很喜欢,来了又来。

电珠给图书馆起了个别致的名字:“星空书廊”——显然,“拉索”正在以各种方式引领人们探索更大的世界。


电磁粒子探测器巡检员电珠。

(中国互联网发展基金会中国正能量网络传播专项基金支持项目)

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