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5月10日，中国科学院高能物理研究所（以下简称“中科院高能所”）传来消息，国家重大科技基础设施——高海拔宇宙线观测站（LHAASO，又称“拉索”）正式通过国家验收。 这标志着拉索正式建成，睁开“双眼”昼夜不停地接收着来自外太空的神秘信号，对当今最重要的科学前沿课题之一——高能宇宙线起源问题发起冲击。 宇宙线像“信使”，携带着宇宙起源、天体演化、太阳活动等重要科学信息，从外太空来到地球。拉索的任务就是接住它们，把收集到的信息传递给科学家，解开宇宙起源、天体演化的秘密。 2009年，当拉索的建设计划提出时，中国在宇宙线研究上还处在跟跑的位置；海子山还只是青藏高原上那个最大的古冰体遗迹。 随着拉索建成投用，我国宇宙线研究结束长达半个多世纪的跟跑，稳稳当当站到了领先位置——在高能伽马射线天文领域的研究达到国际领先水平。 回顾拉索14年的建设历程，也回答了我们的疑问：拉索为什么建在四川？大科学装置建设难在哪里？我们为什么要倾尽心力走在科技前沿？ 当年面对的质疑 “你们花这么多钱建这个东西，没准将来什么也看不见” 斑白的头发梳理得一丝不苟，西服笔挺，为了迎接这标志性的一天，项目经理、首席科学家曹臻已经准备了30多年。 作为来自地球以外广袤空间的微观粒子，自宇宙线发现以来，相关探索已诞生数枚诺贝尔奖章。“但是，宇宙线的起源在哪？为什么它们有这么高能量的粒子？是怎么加速的？至今未知。”曹臻说。 2008年，曹臻接到中科院高能所通知：“国家在开展‘十二五’大科学装置的规划，你们可以考虑提一个大的宇宙线项目。” 这让曹臻兴奋不已。虽然我国的宇宙线研究早在1949年就已经开始，但直到上世纪70年代，实验室才进入“可用的状态”。即便是上世纪八九十年代在西藏羊八井国际宇宙线观测站与日本的合作，也并不风光——整个研究几乎被日方主导。 “过去更多的是跟跑，能不能借这个大科学装置建设的机会，做出世界领先的宇宙线观测阵列？”曹臻想。 宇宙线进入大气后，会与空气发生剧烈的相互作用，产生次级粒子。次级粒子继续与空气作用，形成级联反应，产生类似阵雨的空气簇射。 “‘阵雨’倾盆，我们要用各种各样的容器，比如‘土堆’下的罐子、‘大棚’中的水池，还有‘大箱子’，去收集‘雨滴’。”曹臻介绍，拉索就像一个大型“集雨”装置，将地面粒子探测与望远镜探测手段结合，实现多能区覆盖。 一个由电磁粒子探测器、缪子探测器、水切伦科夫探测器、广角切伦科夫望远镜组成，灵敏度、覆盖范围均达国际领先水平的拉索计划，应运而生。 2009年，在北京香山科学会议上，曹臻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。 也是那一年，当曹臻第一次在国际会议上分享拉索计划时，同行的目光都聚焦在同类型的欧洲的切伦科夫望远镜阵列（CTA）计划和美国的高海拔水切伦科夫观测计划（HAWC）上。不仅如此，还有人质疑：“0.1拍电子伏特就是极限，你们花这么多钱建这个东西，没准将来什么也看不见。” 遭受的冷眼，转化成一股干事的劲头。选址至关重要。要脱离大气层的束缚，就要在海拔4000—5000米的位置找一块足够大的平地，且落差不超过50米，要有公路、机场和医疗机构，要有光纤和充足的供电。所有条件综合下来，找到一个“最大公约数”并不容易。 “四川、云南、西藏、青海四省区，几十个备选站址，我们一个个走下来。”项目副经理、总工艺师何会海跑遍了所有备选点。 曹臻至今仍记得在甘孜稻城初见海子山的模样。“最初的选址并不在这里。”曹臻回忆，一开始选址在山后大概1公里远的地方，但那里太潮湿，全是沼泽。 退出来以后，发现一处相对平坦、干燥、开阔的地方。这里有大大小小1000多个湖泊，可以满足用水需求；邻近国道227线，距离机场10多公里，交通便利。加之与四川省政府一拍即合，得到了鼎力支持。 天时地利人和，拉索选址稻城。 从2017年开工即面临的极限挑战 “以为只用造出一台拖拉机，结果是对标一台跑车的性能” 大科学装置的建设是围绕多年来没能解决的问题，因此这个装置里的每个部分，都包含着非常严苛的技术要求。 中科院高能所副所长董宇辉说：“要做那些突破技术极限的东西，要有宏大的目标、宏大的设备、尖端的技术、超越技术上限的做法，所有这一切才能称之为大科学。” 拉索的极限挑战，从2017年开工起就摆在眼前。海子山上地貌复杂，高寒缺氧，冰川活动产生了大量巨大漂砾。“整间屋子那么大的石头遍地都是。” 何会海回忆，最初当地政府做场平时，用的都是当地人，工人淘汰率约三成。等到了建设安装阶段，身处海拔4000多米的无人区，高寒缺氧，有工人刚下车就受不了。“给多少钱都不干，工人淘汰率达到50%。” 然而，更多的人留了下来，特别是上山的科研人员，一个不少。建设期间，中科院高能所的研究人员，每天穿梭在这片布满了大小不一的花岗岩漂砾及形态各异的冰蚀岩盆的荒原上。他们通宵达旦投入工作，承受着巨大的心理压力和体能考验。 挑战，还来自对技术极限的突破。作为一个科学探测装置，项目建设的水切伦科夫探测器必须要达到相关指标——要有一个避光、防腐、保温、防渗的外壳。 避光，为了进一步提高信噪比；防腐，为了水体不被污染；保温，为了在海子山冬季零下35摄氏度的条件下，避免水体结冰造成探测系统的物理损坏；防渗，保证这个世界上最大的水切伦科夫探测器阵列，探测介质稳定。 以防渗为例，35万吨水液面的日变化幅度，要稳定在不大于4毫米。建设单位拿下标的时还很庆幸，以为只是建一个普通的加盖水池，“他们以为只用造出一台拖拉机，结果是对标一台跑车的性能。”项目建安分总体主任冯少辉说。 在没有国标可参考的情况下，“薄壁混凝土现浇边墙+软基土工膜防渗系统+大跨度轻钢屋面结构”设计应运而生。不仅是国内首创，更满足了探测器在避光、防冻、防锈蚀和水位保持等方面的超高指标要求。 该项目最后获评四川省建设工程“天府杯”金奖，虽然总体投资不过1.6亿元，“含金量”不高，但“含科量”极高，评选时获得全票通过。 挑战，还来自自我加压。“无论有多大的困难，都要去克服，再困难都要去克服，克服就是要去做这个做不了的事情。”曹臻这句话，被做成了红牌子，放在几个缪子探测器之间。这话，也是在啃一块“硬骨头”时说的。 这是1188个缪子探测器中最难的几个。要铲平如房子大小的乱石堆，挖出深坑，布局探测器。考虑到土建工程的难度，团队最初放弃了阵列核心区域局部范围的缪子探测器修建。但随着一半阵列的科学运行和相关物理分析的逐渐深入，曹臻意识到缺失的阵列面积不大，但影响不小。 为了填补阵列设计之初的空白，团队和施工建设方在工程现场勘查，几易施工方案，最终在不适宜建造探测器的冰碛垄上，完成探测器的建设。 在高寒缺氧环境下的共克时艰 “在这里我待得非常难受，但是能给国家做事情，我非常自豪” “除了我们科学家，工人团队的困难实际上更多更具体。”曹臻说。最多的时候，全站工人数量达到600人。 由于高寒缺氧，稻城每年的施工季只有半年。两个月内要完成500多个缪子探测器的安装，有的部件还必须在现场加工，赶进度的压力可想而知。 2020年初，新冠疫情突如其来，但项目必须按计划施工。经与各级防疫部门沟通，来自全国各地的工人汇聚到海子山上，3月5日准时开工。 2020年9月，距离缪子探测器的完工节点还有一个月，工人也开始自发地“三班倒”。冯少辉注意到一个来自东北的工人，“小伙子刚来的时候白白净净，没几个月已经满面风霜、判若两人。”冯少辉问他，待了这么久，习惯了吗？他说：“在这里我待得非常难受，但是能给国家做事情，我非常自豪。” 也正是在这个关键时期，出现了产能不足、经费紧缺的问题。“已经签好的合同，都付不出钱。”为了保证工期，工人自发地告诉项目部，任务还没完成，先不要工钱。“把仅有的钱给项目部，先拿去供材料。” 在冲刺誓师大会上，冯少辉代表业主方讲话时，哽咽到说不出话来，先给大家鞠了一躬，“谢谢大家对项目的支持！” 一同挑战极限的，还有合作项目团队。 项目的高精度多节点远距离时钟分配与同步系统，被称为“小白兔”系统。这个名字源于童话故事《爱丽丝梦游仙境》。爱丽丝遇到了一只白兔，这位白兔先生一直看着手表嘟囔“天哪天哪，我要迟到了……” 拉索的“小白兔”就是帮助6000多个探测器节点精准对时的。 “拉索测量‘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十纳秒量级。”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。来自清华大学的合作团队克服重重困难，把对时精度提高了5倍，达到0.2纳秒，为世界同类技术最高水平，使得拉索能够把“宇宙信使”的方向精确到0.3°的范围内。 项目团队通过自主创新和国际合作，完成了多项关键核心技术攻关。比如首次在大视场成像切伦科夫望远镜中大规模使用新型硅光电管，有效观测时间大大增加；比如完全自主创新研发、世界上尺寸最大的光电倍增管——20英寸超大型光电倍增管，打破了国际上单一供应商垄断的局面，也极大提高了探测器性能。 用最好的探测器去争取最好的发现 “只有做出世界一流的科学成果， 解释宇宙的话语权才会逐渐回到我们这里” 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。 早在阵列试运行时，拉索就取得了突破性成果，并发表在国际顶尖学术期刊《自然》《科学》上。 2022年10月9日21时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，打破了多项伽马射线暴观测纪录。伽马射线暴是宇宙中最剧烈的天体爆发现象，本次伽马射线暴发生的位置，距离地球20多亿光年。 “老天爷给了我们巨大的礼物。”曹臻从不回避谈论取得这些成果的偶然性。 欧洲人专门为射线暴的观测建设了一台装置MAGIC，可射线暴发生时，欧洲正好转到了地球背面。“MAGIC什么也没看到。” 曹臻曾经和《科学》杂志的编辑说：“我们有最好的探测器，因此有最好的发现。” 对方反驳：“我承认你们有最好的探测器，这没有争议，但有没有好的发现，可不是由你们说了算。”曹臻无力反驳。 随着在《自然》《科学》上连发成果，曾被外界质疑的拉索，一次次被科学界聚焦。 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。“美国人已经把‘拉索’列为他们未来10年—20年的追赶目标，还准备在南半球建立类似的装置超过我们。”曹臻说。 “希望大吗？”记者问。曹臻笑了笑。跟跑与赶超，其实是一个螺旋交替的过程。曹臻说，过去几十年，我们追赶别人。现在我们突破了，有了世界领先的装置，有了新的发现就必然会有新的问题。 曹臻分析，当前最具体的问题，就是拉索现在看到的这些射线源，实际上它的内部是有结构的，原来没有预料到这个问题。所以未来的第一步，是要提高拉索的空间分辨能力，让它能把一些复杂的结构解析得很清楚。第二步，是现在找到的光源除了发出伽马光，还会伴生中微子，因此未来还要去做中微子的探测。
“要想实现这些不太容易，可能就是未来一二十年的事，一直要往这个方向去奋斗、去努力。”曹臻说，“如何认识和理解宇宙，现在中国人没有发言权。要改变这个局面，不能靠呐喊。要引领这个领域的发展，只有做出世界一流的科学成果，解释宇宙的话语权才会逐渐回到我们这里。” |
