红星新闻 2023-10-09 16:24:29
10月18日至22日，第81届世界科幻大会将在成都举办。红星新闻、每日经济新闻日前联合启动“幻响未来，全球追光”大型融媒体采访报道，追寻科幻转换为现实背后人类不同文明所共同拥有的科技与梦想之光。
今天，我们带你攀上海拔4410米的四川稻城海子山，探访今年5月顺利通过国家验收的以宇宙线观测研究为核心的国家重大科技基础设施高海拔宇宙线观测站LHAASO（下称：拉索），揭秘这双“火眼金睛”如何捕捉“天外来客”。
国家重大科技基础设施高海拔宇宙线观测站LHAASO
人们总是会孜孜不倦地去探索未知领域，已被人类发现百余年的宇宙线，就是宇宙探索中最令人着迷的未解之谜之一。
在我们肉眼看不见的宇宙深处，无数粒子正以接近光的速度飞驰，穿过浩淼宇宙，时时刻刻造访着地球。这些产生于宇宙深处的高能“子弹”，就是宇宙线，其成分包括质子和各种原子核，还有少量的光子、中微子、电子等。在靠近地球的太空中，每分钟约有一个宇宙线穿过一枚硬币大小的面积，人类对这些肉眼看不见的“天外来客”浑然不觉。
宇宙无限，“信使”有痕。作为太阳系以外唯一的物质样本，宇宙线携带着宇宙起源、天体演化、太阳活动及地球空间环境等重要科学信息，研究宇宙线及其起源成为人类探索宇宙的重要途径。
为“捕捉”这些“信使”，中国科学院高能物理研究所（下称：高能所）在海拔4410米的海子山上，建设了高海拔宇宙线观测站，力图通过解析这些“天外来客”，破解宇宙线起源谜题。
9月底的一天，红星新闻记者登上了海拔4410米的海子山，这里空气稀薄，荒无人烟，夜晚的温度已降至0度。尽管此前曾在图片和视频中多次见过拉索，但仍被眼前的景象所震撼——
站在观景台最高点，占地面积约1.36平方公里的拉索形似一个“大圆盘”。“大圆盘”之中，分布着三大探测器阵列，包括由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、78000平方米的水切伦科夫探测器阵列，以及18台广角切伦科夫望远镜。
这些听起来晦涩难懂的阵列，现场看上去却非常“接地气”。
国家重大科技基础设施高海拔宇宙线观测站LHAASO
最引人注意的，是数以千计的土堆，每个土堆“身高”约2.5米，彼此间隔约15米，均匀分布在圆盘之上，占据了“拉索”绝大部分场地。
“这些土堆就是缪子探测器。”高能所研究人员王玉东告诉记者，真正的秘密藏在土堆之下，那里有一个直径6.8米、高1.2米的混凝土罐体，罐体中放置了装有超纯水的高反射率水袋。厚厚的土堆可以屏蔽粒子，让水袋“捕捉”到缪子。
缪子探测器阵列（红圈土堆）和电磁粒子探测器阵列
再往前看，是呈“品”字形排列的白顶建筑，这就是78000平方米的水切伦科夫探测器阵列。
走进水切伦科夫探测器阵列内部，穿过黑暗的人工通道，映入眼帘的是一片看不到尽头的水池。打开手电筒向水下照射，一个个光电倍增管闪烁着点点星光。这些“照射灯”其实不是“灯”，而是接收从宇宙奔腾而来的粒子在水中产生的信号探测器。
王玉东介绍，水切伦科夫探测器阵列中的水池深4.5米，水池由隔光帘分割成3120个5米×5米的单元，每个单元内水底放置两个光电倍增管。探索宇宙线的“秘密武器”就藏在这一个个光电倍增管中。
相比前两者，广角切伦科夫望远镜阵列看上去是更接近现实意义上“观测”宇宙的存在——由25块球面反射镜和具有1024个像素的硅光电管相机组成的18台望远镜隐匿在集装箱中，它们静等夜晚的到来。
广角切伦科夫望远镜阵列内部
“为了增加望远镜的有效观测时间，拉索项目要求在望远镜中采用新型硅光电倍增技术，使得望远镜能够在月夜观测，这也为拉索项目取得研究成果打下坚实基础。”王玉东说，这也是技术上的新突破，要知道，曾经的切伦科夫望远镜只能在晴朗无月的夜晚工作，否则望远镜的“眼睛”将会被太阳光或月光“灼伤”。
拉索究竟是如何工作的？
“协同。”王玉东用了这个词来总结。
来自浩渺天空的宇宙线从四面八方奔腾而来，在经过大气层时，会和大气中的原子核发生相互作用，产生许多次级粒子，次级粒子继续和大气中的原子核相互作用产生新的次级粒子，如此往复，最终次级粒子将如雨点般缤纷落下，瞬间散布在数平方公里的面积上，“就像撒了一把黄豆，而拉索就像一张大网，正好能够‘接住’这场空气簇射中最多的粒子。”
拉索选址稻城
当粒子“阵雨”落到拉索上时，三大阵列的探测器通过闪烁体、水、大气等转换介质，将粒子“阵雨”在介质中沉积的能量转化成光子，再经光电倍增管接收放大后，通过光电转化，就变成我们熟悉的电信号读出并记录。分析粒子“阵雨”携带的信息，就能分析出原初宇宙线与大气的相互作用，以此来反推原初粒子的性质及方向，开展相关天文与物理研究。
“要想接住这些粒子，除了这张网要够大，选址也至关重要，海拔太高或太低都不行。”王玉东说，在粒子“阵雨”抵达地面的过程中，会被大气层“吞噬”一部分，在高海拔地区布局探测器，就是为了抢在大气层“吞噬”前，捕捉到更多的次级粒子，获取更多信息。而如果海拔过高，粒子还没来得及碎裂、散射，观测效果也不佳。
“在海拔4000—5000米的高度找一块足够大的平地”，这是选址的硬性条件之一。此外，还要光纤通达和充足的供电，有就近水源满足用水需求，同时交通方便利于设备运输组装。所有条件综合下来找到一个“最大公约数”并不容易。前期，拉索团队跑遍了西藏、青海、云南、四川等所有具备高海拔特征的区域，最终选择了海子山。“四川省政府也给予了鼎力支持。”天时地利人和，拉索最终选址稻城。
在观测过程中，三大阵列各司其职：
缪子探测器的土层可以用来屏蔽次级粒子中的电磁成分，当缪子进入土堆下的水体，在水中产生切伦科夫光，水袋顶部中心的光电倍增管将接收的光信号放大，再转化为电信号进行测量。随着拉索地面簇射粒子阵列运行和更多数据的积累，更多的超高能伽马源正在被发现，在可预见的未来10年内，拉索地面簇射粒子阵列将一直是超高能段国际上最灵敏的探测装置。
水切伦科夫探测器阵列则是通过水为介质进行观测。王玉东介绍，原初宇宙线进入大气后产生空气簇射，产生的次级粒子到达地面在水中产生微弱的切伦科夫光，被池内的光电倍增管接收后转换为电信号。而通过对电信号的数据分析，就可以重建原初伽马射线或宇宙线的到达方向、能量等参数，实现对伽马源的高灵敏度观测，由行踪溯源头。
18台广角切伦科夫探测器则像一个个巨大的相机，当“探头”，也就是球面镜“捕捉”到空气中的宇宙线后，光斑反射成像，最终成像数据再汇聚到计算机机房，以此描绘出宇宙线的运动路径。
因此，某种程度上来说，除了三个探测器阵列，自然界也是“拉索”探测器阵列的组成部分，这些介质包括大气层、土地、水等等。
也正是三大阵列的协同工作，让宇宙线的探测结果更加精准全面。“就像我们去医院体检，通过多种检测手段相互佐证，医生就能得到最精确的结果。”王玉东说。
“十年磨一剑。”王玉东用这句话，来形容“拉索”背后的建成史。
2009年，在北京香山科学会议上，LHAASO项目首席科学家、LHAASO国际合作组发言人、中国科学院高能物理研究所研究员曹臻代表团队提出在高海拔地区建设大型复合探测阵列拉索的完整构想。7年后，国家正式立项批复。2021年11月，拉索项目按期、全面完成了国家发展和改革委员会批复的各项建设任务，成为国际高水平的超高能伽马射线探测装置，也是世界上重要的粒子天体物理支柱性实验设施之一。
缪子探测器阵列（红圈土堆）和电磁粒子探测器阵列
事实上，拉索在建设期间就已经开展观测，科学成果持续产出。基于其超高的探测灵敏度，拉索在初步运行期间已经取得多项突破性的重大科学成果——
2020年，拉索在银河系内发现大量超高能宇宙加速器候选天体，并记录到能量达1.4拍电子伏的伽马光子（拍=千万亿），这是人类观测到的最高能量光子，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”时代。
2021年7月，基于拉索观测站测定标准烛光的超高能段亮度，发现拍电子伏伽马辐射的研究成果，由中国科学院高能物理研究所牵头的拉索国际合作组在《科学》（Science）上发表。这个标准烛光就是由宋朝的司天监发现并记录的“客星”（也就是著名的天体蟹状星云）。拉索还记录到能量达1.1拍电子伏的伽马光子，由此确定在大约仅为太阳系1/10大小的星云核心区内存在能力超强的电子加速器，加速能量达到了人工加速器产生的电子束的能量两万倍左右。
2022年10月9日21点17分，拉索和高能爆发探索者、慧眼卫星同时探测到迄今最亮的伽马射线暴，在这次观测中，拉索将伽马射线暴光子最高能量纪录提升了近3倍，在国际上首次打开了10TeV（万亿电子伏特）波段的伽马射线暴观测窗口，并首次完整记录伽马射线暴TeV波段辐射的完整光变，这些观测结果打破了多项伽马射线暴观测纪录。
“这些听上去好像离我们非常遥远，但离完成我们的目标已经不远了。”王玉东告诉记者，宇宙线探测的目标之一，就是探索宇宙线起源。他相信，未来人类肯定会走出地球，进入外太空，就像科幻电影《流浪地球》中讲述的那样。“当我们去外太空寻找一个新的家园时，只有在深入了解的基础上，才能积极应对。”
在预先研究和建设期，拉索完成了多项关键核心技术攻关。例如，拉索项目发展了基于“小白兔”技术、适应4000米以上高海拔野外工况的大面积、多节点、高精度时钟同步技术，远距离同步精度提升到0.2纳秒，达到国际领先水平；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，对数据传输率高达4GB/s的宇宙线事例实现“零死时间”观测；采用特殊的数据筛选技术，对海量数据进行无损压缩，实现从四川海子山到北京高能所的实时数据传输。
在王玉东看来，这些技术，未来也将积极应用于交通、通讯、医疗等方面，融入人类生产生活之中。与此同时，大科学装置所使用的设备都需依靠自主研发，这对产业提出非常苛刻的要求。大科学装置对国内工业领域产业的刺激，它能促使产业不断去完善更新技术，促进相关配套发展，完善产业链条。
那么，拉索产出的这些突破性的知识改变和科研成果，能否直接影响到我们生活？
此前，曹臻研究员在接受记者采访时也回答了这个问题。他提到，涉及到这么高能量的加速器还没有进入到我们的日常生活，但基于同等原理的“缩小版加速器”，已经逐渐变成我们医疗设备、工业探伤等技术基础。比如，上世纪五十年代建的加速器，目前在我国一些大型医院已经开始作为肿瘤治疗的一个基本手段。中科院高能所在东莞也建立了一个中子中心，其产生出来的中子源可以用来进行肿瘤治疗方面的研究。可以想象，高能量的加速器会逐渐变得越来越重要。
高能量的加速器将逐渐变得越来越重要
随着新发现源源不断涌现，拉索也在不断进步。
王玉东提到，2021年，拉索发现了超高能伽马射线，当时受限于探测器阵列本身性能，伽马源发现后发现位置不是很精确。就像近视眼看东西就会模糊，这时就需戴上眼镜。
“我们必须建设新的探测器，更精确地知道伽马射线的位置。”他提到，现有的LHAASO地面簇射粒子探测器阵列分辨率大概为0.3度，正在预研阶段的切伦科夫望远镜阵列将优于0.06度，比原来的要精确5—6倍。目前在成都和海子山，已经分别建成一个样机。未来，将有32台新的望远镜分布在阵列里。
因为海拔较高，拉索能探测到的宇宙线种类非常丰富。因此，除了捕捉天外来客，拉索也为科研提供了一个实验场。
例如，现场就有一个高能所和俄罗斯合作的项目--电子中子探测器阵列（ENDA）。当宇宙射线引发的簇射到达地面，和环境介质（比如土壤）相互作用，就会产生中子，这时候，64台探测器组成的ENDA阵列就会进行地面观测。
电子中子探测器阵列（ENDA）
这是34岁的王玉东加入拉索项目的第四年。本科、硕士、博士都在四川大学就读的他，在成都已经是第十四个年头。
拉索是一个国际合作项目，四川大学参与了广角切伦科夫望远镜成像探头电子学的研制工作，当时王玉东所负责的，是广角切伦科夫望远镜成像探头的长期稳定性检验工作。博士毕业后，王玉东进入高能所，加入LHAASO团队，负责广角切伦科夫望远镜光学系统中反射镜的检测、安装、调试、维护等工作。
事实上，除了四川大学，还有更多成都创新力量参与其中，并发挥着重要作用。今年2月13日，天府宇宙线研究中心（下称“中心”）正式入驻成都科学城，中心依托拉索开展科学研究，凝聚相关领域的顶尖队伍，支撑其科学运行，深度开展相关研究，为解开宇宙线起源这一“世纪之谜”提供重要的科学支撑。
王玉东刚加入拉索项目时，正好赶上拉索建设的关键时期。那时，一年时间里，几乎有一半时间，他都辗转于北京、天津、成都和稻城等地出差。在建设初期，由于边建设边运行，很多探测器性能尚不稳定，团队通常都需通宵达旦工作，群里也经常闪烁着消息，望远镜观测状态一旦出现偏差，就要马上起身进行调试。
其他探测器阵列亦如此。
海子山上地貌复杂，高寒缺氧，冰川活动产生了大量巨石。他还记得第一次上山的场景，那是2019年10月，生于内陆的他第一次上到如此高的海拔，高反严重，“一下飞机就懵掉了”，脑袋昏沉，怎么从机场乘坐大巴前往基地都不知道。因为缺氧，晚上睡不好，整晚都在做同一个梦，梦中在不停调试望远镜，但怎么也调不好……
也因地貌和气候原因，1188个缪子探测器的建设尤为困难。而难中之难，是观景台下方的四个缪子探测器修建，因为此处布满如房子大小的乱石堆，要想施工，就需挖出深坑，布局探测器。
考虑到土建工程的难度，团队最初放弃了该区域缪子探测器修建。但后续，曹臻意识到如果放弃修建，“就像一张大网上有一个窟窿”，会严重影响到探测器性能。为此，团队和施工建设方几易施工方案，最终完成探测器的建设。
在乱石堆中安装的电磁粒子探测器阵列
除了高海拔地区的体能考验，中科院高能所的研究人员们还要承担巨大的心理压力。在白雪皑皑之时，山上偶尔也会听到狼嚎。
“这里非常艰苦，但对于科研人员来说，我可以直接和探测系统打交道，像精心呵护孩子一样，从预研到安装调试，让它处于一个最佳状态，去发现新的物理现象，这对我来说是非常大的慰藉。”除此之外，还有大自然的馈赠。“这里光污染很少，天气好时，晚上可目视星空银河。你会感受到宇宙的浩渺，而探寻那一端的答案，也是我的使命。”
高海拔宇宙线观测站的绝美星空
采访最后，记者问了一个问题：“自建设至今，拉索创造了诸多之‘最’。拉索‘捕捉’到它们是概率性事件吗？”
“宇宙线对地球是公平的，但也有特殊事件，例如2022年10月9日探测到迄今最亮的伽马射线暴，它发生的时间很短，但刚好落在了拉索‘视场’范围内。”王玉东不否认事件的偶然性，但偶然中也有必然。这个必然就是：“我们有最好的探测器，因此有最好的发现。”
红星新闻记者 彭祥萍 摄影记者 王勤 发自四川稻城
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