高海拔宇宙線觀測(cè)站通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收，為目前世界上海拔最高、規(guī)模最大、靈敏度最強(qiáng)的伽馬射線探測(cè)裝置

(資料圖)

于高山之巔 探宇宙之源（科技自立自強(qiáng)）

在高海拔宇宙線觀測(cè)站測(cè)控基地展示的自主研發(fā)的光電倍增管。

俯瞰高海拔宇宙線觀測(cè)站（無(wú)人機(jī)全景照片）。

工作人員在高海拔宇宙線觀測(cè)站觀測(cè)基地處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

以上圖片均為新華社記者金立旺攝

5月10日，國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——高海拔宇宙線觀測(cè)站“拉索”（LHAASO）順利通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收。

驗(yàn)收委員會(huì)認(rèn)為，項(xiàng)目法人單位中國(guó)科學(xué)院成都分院和共建單位中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所按期、全面、優(yōu)質(zhì)完成了國(guó)家發(fā)展改革委批復(fù)的建設(shè)任務(wù)，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到或優(yōu)于批復(fù)的驗(yàn)收指標(biāo)。驗(yàn)收委員會(huì)同意該項(xiàng)目通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收。

“拉索”位于四川省稻城縣海拔4410米的海子山上，占地面積約1.36平方公里，是目前世界上海拔最高、規(guī)模最大、靈敏度最強(qiáng)的伽馬射線探測(cè)裝置，將致力于探索宇宙線起源。

瞄準(zhǔn)宇宙線來(lái)源這一重大科學(xué)難題

宇宙線是來(lái)自宇宙空間的高能粒子，主要由質(zhì)子和多種元素的原子核組成，并包括少量電子和光子以及中微子，時(shí)刻存在于我們的星球之上。

“拉索”項(xiàng)目首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員曹臻說(shuō)：“宇宙線又被稱作‘銀河隕石’或傳遞宇宙大事件的‘信使’。它們本身就是組成宇宙天體的物質(zhì)成分，并攜帶著宇宙起源、天體演化、太陽(yáng)活動(dòng)及地球空間環(huán)境等重要科學(xué)信息。因此，研究宇宙線及其起源是人類探索宇宙的重要途徑。”

1912年，奧地利科學(xué)家赫斯首次發(fā)現(xiàn)宇宙線，但100多年來(lái)，人類卻始終沒(méi)有發(fā)現(xiàn)宇宙線的起源。“宇宙線來(lái)自哪里，它們是如何被加速到如此之高的能量，一直困擾著科學(xué)家。”曹臻說(shuō)。

宇宙線來(lái)自哪里，為何這么難以判斷？

一方面，捕捉高能宇宙線極其不易。高能宇宙線的能量跨度從10億到1萬(wàn)億億電子伏特，能量高的宇宙線應(yīng)該來(lái)自劇烈的天體活動(dòng)所伴隨的粒子加速過(guò)程。但是，宇宙線能量越高，就越稀少。

“這是因?yàn)楦吣芰Ｗ拥臄?shù)量隨著能量的上升急劇下降，粒子能量每上升10倍，粒子數(shù)量就會(huì)下降1000倍，所以最終能到達(dá)地球的高能宇宙線粒子少之又少。”中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員何會(huì)海說(shuō)。

另一方面，要根據(jù)獲得的宇宙線粒子樣本確定它們來(lái)自何方，更是難上加難。

曹臻說(shuō)：“宇宙線多為帶電粒子，在傳播過(guò)程中會(huì)被宇宙中無(wú)處不在的星際磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)，等到達(dá)地球時(shí)早已失去了原初的方向信息，所以無(wú)法反推它源自何方。”

“超新星爆發(fā)、黑洞爆發(fā)、巨大星系之間的碰撞等，都可能是我們要找的來(lái)源。到底誰(shuí)才是真正的來(lái)源，還需要繼續(xù)尋找證據(jù)。我們的高海拔宇宙線觀測(cè)站正是瞄準(zhǔn)這一重大科學(xué)難題而提出的。”曹臻說(shuō)。

實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)重大自主技術(shù)創(chuàng)新

因?yàn)橛钪婢€能量越高就越稀少，所以越大規(guī)模的探測(cè)器才有可能捕捉到足夠多可供研究的高能宇宙線樣本。

高山實(shí)驗(yàn)是宇宙線觀測(cè)研究中能夠充分利用大氣作為探測(cè)介質(zhì)、在地面進(jìn)行觀測(cè)的手段，探測(cè)器規(guī)模可遠(yuǎn)大于大氣層外的天基探測(cè)器。對(duì)于超高能量的宇宙線觀測(cè)，這是唯一手段。

“拉索”就是中國(guó)的第三代高山宇宙線實(shí)驗(yàn)室，由5216個(gè)電磁粒子探測(cè)器和1188個(gè)繆子探測(cè)器構(gòu)成的一平方公里地面簇射粒子探測(cè)器陣列、7.8萬(wàn)平方米的水切倫科夫探測(cè)器陣列、18臺(tái)廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡等三大陣列組成。

“宇宙線中的伽馬射線是高能光子，它進(jìn)入地球大氣后會(huì)與大氣中的原子核發(fā)生碰撞，形成一系列新粒子，紛紛落到地面，如同下‘陣雨’一般。”曹臻說(shuō)，“‘拉索’的這3個(gè)不同類型的探測(cè)器就分別對(duì)這些紛紛落下的粒子‘雨滴’進(jìn)行探測(cè)，搜集它們的信息后再倒推回去，研究導(dǎo)致這些次級(jí)粒子產(chǎn)生的超高能粒子的性質(zhì)。”

在超過(guò)4000米的高海拔地區(qū)，要將裝置靈敏度提升30倍，“拉索”工程難度可想而知。然而，“拉索”團(tuán)隊(duì)并未因此退縮，他們迎難而上，克服重重困難，最終如期完成任務(wù)，并在建設(shè)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)重大自主技術(shù)創(chuàng)新。

比如，“拉索”的時(shí)間分配系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了世界上最高水平的同步精度，達(dá)到亞納秒級(jí)別。

“‘拉索’測(cè)量粒子‘陣雨’落下來(lái)的方向、落在不同地方的‘雨滴’時(shí)間，來(lái)重建整場(chǎng)‘陣雨’。‘雨滴’飛落的速度是光速，到達(dá)不同探測(cè)器的時(shí)間差也就是10納秒量級(jí)。”曹臻說(shuō)。

“小白兔”原本是加速器中的授時(shí)技術(shù)，當(dāng)時(shí)的對(duì)時(shí)精度只有1納秒。基于“小白兔”技術(shù)，清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)與高能物理所聯(lián)手，通過(guò)技術(shù)改進(jìn)，使近萬(wàn)個(gè)探測(cè)器節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間偏差小于0.3納秒。

何會(huì)海說(shuō)：“項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)還在海量數(shù)據(jù)獲取技術(shù)上取得顯著進(jìn)步，發(fā)展并實(shí)現(xiàn)了‘無(wú)觸發(fā)’數(shù)據(jù)獲取，對(duì)宇宙線事例實(shí)現(xiàn)‘零死時(shí)間’觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)從海子山觀測(cè)基地到高能物理所的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。”

此外，“拉索”研制出了新一代硅光電倍增管相機(jī)，突破了傳統(tǒng)設(shè)備無(wú)法在月夜進(jìn)行觀測(cè)的局限，使18臺(tái)廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)時(shí)間得到成倍提高。

過(guò)去，20英寸光電倍增管的技術(shù)被國(guó)外壟斷。這次，“拉索”團(tuán)隊(duì)攜手國(guó)內(nèi)高科技企業(yè)，成功制造出高時(shí)間性能的同類產(chǎn)品，而且良品率非常高——生產(chǎn)了2200多個(gè)，次品僅55個(gè)。這一突破，迫使國(guó)外企業(yè)大幅降價(jià)，甚至上門求購(gòu)。

建設(shè)成為綜合開放的科研平臺(tái)

2017年，“拉索”主體工程動(dòng)工。為克服環(huán)境對(duì)工程的影響、充分利用觀測(cè)資源，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)決定邊建設(shè)邊運(yùn)行。曹臻說(shuō)：“第一年我們先建1/4，運(yùn)行半年再建1/4，湊成1/2，再運(yùn)行半年。”

令人意想不到的是，2020年，僅建成1/2規(guī)模的“拉索”就迎來(lái)了第一個(gè)重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)。“拉索”在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)大量超高能宇宙加速器，并記錄到1.4拍（拍=千萬(wàn)億）電子伏的伽馬光子，這是人類觀測(cè)到的最高能量光子。這一成果于2021年5月17日發(fā)表在《自然》雜志上。

“這個(gè)發(fā)現(xiàn)突破了人類對(duì)銀河系粒子加速的傳統(tǒng)認(rèn)知，開啟了‘超高能伽馬天文學(xué)’的時(shí)代。”曹臻說(shuō)。

此后兩年間，成果接踵而來(lái)。

科研人員利用“拉索”精確測(cè)量了高能天文學(xué)標(biāo)準(zhǔn)燭光——蟹狀星云的亮度，為超高能伽馬光源測(cè)定了新標(biāo)準(zhǔn)。這次觀測(cè)還記錄到能量達(dá)1.1拍電子伏的伽馬光子，由此確定星云核心區(qū)內(nèi)存在能力超強(qiáng)的電子加速器，加速能量直逼經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)和理想磁流體力學(xué)理論所允許的加速極限。相關(guān)成果于2021年7月9日在《科學(xué)》雜志發(fā)表。

隨后，2022年10月9日21時(shí)17分，“拉索”、“慧眼”衛(wèi)星和“極目”空間望遠(yuǎn)鏡同時(shí)探測(cè)到迄今最亮的伽馬射線暴（編號(hào)GRB 221009A），這是我國(guó)首次實(shí)現(xiàn)對(duì)伽馬射線暴的天地多手段聯(lián)合觀測(cè)。

“拉索”項(xiàng)目建設(shè)單位依托設(shè)施開展觀測(cè)與理論研究，并面向國(guó)內(nèi)外全面開放共享。目前，已有28個(gè)天體物理研究機(jī)構(gòu)成為“拉索”的國(guó)際合作組成員單位。“合作組利用‘拉索’觀測(cè)數(shù)據(jù)開展粒子天體物理研究，同時(shí)進(jìn)行宇宙學(xué)、天文學(xué)、粒子物理學(xué)等眾多領(lǐng)域基礎(chǔ)研究。”曹臻說(shuō)。

通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收后，“拉索”將成為以中國(guó)為主、多國(guó)參與的國(guó)際宇宙線研究中心，借助高海拔伽馬天文、宇宙線的觀測(cè)優(yōu)勢(shì)，成為獨(dú)具特色、綜合開放的科學(xué)研究平臺(tái)。

此外，曹臻表示，“拉索”團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在已有的4種探測(cè)器陣列之外，再新增一個(gè)由32臺(tái)望遠(yuǎn)鏡組成的新陣列（LACT）。“這個(gè)陣列建好后，‘拉索’相當(dāng)于又增加了一雙‘火眼金睛’，將具有超高能宇宙線發(fā)射位置的識(shí)別能力，有望進(jìn)一步逼近最終的答案。”