于高山之巅探宇宙之源（科技自立自强）

 

　　在高海拔宇宙线观测站测控基地展示的自主研发的光电倍增管。

 
 

　　俯瞰高海拔宇宙线观测站（无人机全景照片）。

 
 

　　工作人员在高海拔宇宙线观测站观测基地处理实验数据。
　　以上图片均为新华社记者金立旺摄

 

　　5月10日，国家重大科技基础设施——高海拔宇宙线观测站“拉索”（LHAASO）顺利通过国家验收。

　　验收委员会认为，项目法人单位中国科学院成都分院和共建单位中国科学院高能物理研究所按期、全面、优质完成了国家发展改革委批复的建设任务，各项指标达到或优于批复的验收指标。验收委员会同意该项目通过国家验收。

　　“拉索”位于四川省稻城县海拔4410米的海子山上，占地面积约1.36平方公里，是目前世界上海拔最高、规模最大、灵敏度最强的伽马射线探测装置，将致力于探索宇宙线起源。

　　瞄准宇宙线来源这一重大科学难题

　　宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子，主要由质子和多种元素的原子核组成，并包括少量电子和光子以及中微子，时刻存在于我们的星球之上。

　　“拉索”项目首席科学家、中国科学院高能物理研究所研究员曹臻说：“宇宙线又被称作‘银河陨石’或传递宇宙大事件的‘信使’。它们本身就是组成宇宙天体的物质成分，并携带着宇宙起源、天体演化、太阳活动及地球空间环境等重要科学信息。因此，研究宇宙线及其起源是人类探索宇宙的重要途径。”

　　1912年，奥地利科学家赫斯首次发现宇宙线，但100多年来，人类却始终没有发现宇宙线的起源。“宇宙线来自哪里，它们是如何被加速到如此之高的能量，一直困扰着科学家。”曹臻说。

　　宇宙线来自哪里，为何这么难以判断？

　　一方面，捕捉高能宇宙线极其不易。高能宇宙线的能量跨度从10亿到1万亿亿电子伏特，能量高的宇宙线应该来自剧烈的天体活动所伴随的粒子加速过程。但是，宇宙线能量越高，就越稀少。

　　“这是因为高能粒子的数量随着能量的上升急剧下降，粒子能量每上升10倍，粒子数量就会下降1000倍，所以最终能到达地球的高能宇宙线粒子少之又少。”中国科学院高能物理研究所研究员何会海说。

　　另一方面，要根据获得的宇宙线粒子样本确定它们来自何方，更是难上加难。

　　曹臻说：“宇宙线多为带电粒子，在传播过程中会被宇宙中无处不在的星际磁场偏转，等到达地球时早已失去了原初的方向信息，所以无法反推它源自何方。”

　　“超新星爆发、黑洞爆发、巨大星系之间的碰撞等，都可能是我们要找的来源。到底谁才是真正的来源，还需要继续寻找证据。我们的高海拔宇宙线观测站正是瞄准这一重大科学难题而提出的。”曹臻说。

　　实现多项重大自主技术创新

　　因为宇宙线能量越高就越稀少，所以越大规模的探测器才有可能捕捉到足够多可供研究的高能宇宙线样本。

　　高山实验是宇宙线观测研究中能够充分利用大气作为探测介质、在地面进行观测的手段，探测器规模可远大于大气层外的天基探测器。对于超高能量的宇宙线观测，这是唯一手段。

　　“拉索”就是中国的第三代高山宇宙线实验室，由5216个电磁粒子探测器和1188个缪子探测器构成的一平方公里地面簇射粒子探测器阵列、7.8万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等三大阵列组成。

　　“宇宙线中的伽马射线是高能光子，它进入地球大气后会与大气中的原子核发生碰撞，形成一系列新粒子，纷纷落到地面，如同下‘阵雨’一般。”曹臻说，“‘拉索’的这3个不同类型的探测器就分别对这些纷纷落下的粒子‘雨滴’进行探测，搜集它们的信息后再倒推回去，研究导致这些次级粒子产生的超高能粒子的性质。”

　　在超过4000米的高海拔地区，要将装置灵敏度提升30倍，“拉索”工程难度可想而知。然而，“拉索”团队并未因此退缩，他们迎难而上，克服重重困难，最终如期完成任务，并在建设过程中实现了多项重大自主技术创新。

　　比如，“拉索”的时间分配系统实现了世界上最高水平的同步精度，达到亚纳秒级别。

　　“‘拉索’测量粒子‘阵雨’落下来的方向、落在不同地方的‘雨滴’时间，来重建整场‘阵雨’。‘雨滴’飞落的速度是光速，到达不同探测器的时间差也就是10纳秒量级。”曹臻说。

　　“小白兔”原本是加速器中的授时技术，当时的对时精度只有1纳秒。基于“小白兔”技术，清华大学团队与高能物理所联手，通过技术改进，使近万个探测器节点之间的时间偏差小于0.3纳秒。

　　何会海说：“项目团队还在海量数据获取技术上取得显著进步，发展并实现了‘无触发’数据获取，对宇宙线事例实现‘零死时间’观测，实现海量数据从海子山观测基地到高能物理所的实时数据传输。”

　　此外，“拉索”研制出了新一代硅光电倍增管相机，突破了传统设备无法在月夜进行观测的局限，使18台广角切伦科夫望远镜的观测时间得到成倍提高。

　　过去，20英寸光电倍增管的技术被国外垄断。这次，“拉索”团队携手国内高科技企业，成功制造出高时间性能的同类产品，而且良品率非常高——生产了2200多个，次品仅55个。这一突破，迫使国外企业大幅降价，甚至上门求购。

　　建设成为综合开放的科研平台

　　2017年，“拉索”主体工程动工。为克服环境对工程的影响、充分利用观测资源，项目团队决定边建设边运行。曹臻说：“第一年我们先建1/4，运行半年再建1/4，凑成1/2，再运行半年。”

　　令人意想不到的是，2020年，仅建成1/2规模的“拉索”就迎来了第一个重大科学发现。“拉索”在银河系内发现大量超高能宇宙加速器，并记录到1.4拍（拍=千万亿）电子伏的伽马光子，这是人类观测到的最高能量光子。这一成果于2021年5月17日发表在《自然》杂志上。

　　“这个发现突破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’的时代。”曹臻说。

　　此后两年间，成果接踵而来。

　　科研人员利用“拉索”精确测量了高能天文学标准烛光——蟹状星云的亮度，为超高能伽马光源测定了新标准。这次观测还记录到能量达1.1拍电子伏的伽马光子，由此确定星云核心区内存在能力超强的电子加速器，加速能量直逼经典电动力学和理想磁流体力学理论所允许的加速极限。相关成果于2021年7月9日在《科学》杂志发表。

　　随后，2022年10月9日21时17分，“拉索”、“慧眼”卫星和“极目”空间望远镜同时探测到迄今最亮的伽马射线暴（编号GRB 221009A），这是我国首次实现对伽马射线暴的天地多手段联合观测。

　　“拉索”项目建设单位依托设施开展观测与理论研究，并面向国内外全面开放共享。目前，已有28个天体物理研究机构成为“拉索”的国际合作组成员单位。“合作组利用‘拉索’观测数据开展粒子天体物理研究，同时进行宇宙学、天文学、粒子物理学等众多领域基础研究。”曹臻说。

　　通过国家验收后，“拉索”将成为以中国为主、多国参与的国际宇宙线研究中心，借助高海拔伽马天文、宇宙线的观测优势，成为独具特色、综合开放的科学研究平台。

　　此外，曹臻表示，“拉索”团队计划在已有的4种探测器阵列之外，再新增一个由32台望远镜组成的新阵列（LACT）。“这个阵列建好后，‘拉索’相当于又增加了一双‘火眼金睛’，将具有超高能宇宙线发射位置的识别能力，有望进一步逼近最终的答案。”

　　《 人民日报 》（ 2023年05月12日 11 版）

(责编：卫嘉、白宇)

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