科创中国行 | “拉索”：在4410米高原追寻宇宙线源头

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）