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外太空来信“拉索”收到
南方都市报
2023/06/04 09:04 广东省
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2023年4月22日，四川省甘孜州稻城县海子山，高海拔宇宙线观测站（LHAASO）。 IC供图
2023年4月22日，四川省甘孜州稻城县海子山高海拔宇宙线观测站（LHAASO），广角切伦科夫望远镜阵列旁正在建设的观测设备。 IC供图
高原的夜晚格外迷人，人类裸眼可见的星星几乎铺满了整片夜空。在这里，人类和宇宙的距离缩短了一点点，离宇宙的奥秘也近了一步，高原空气稀薄，传递宇宙大事件的“信使”——时刻造访地球的宇宙线更容易被捕捉到。
“信使”来访的过程像一场极其短暂的、看不见的粒子“阵雨”：宇宙线粒子进入大气层，“击中”大气中的原子核，产生上百万个次级粒子，瞬间降落在地面上，持续时间通常只有几纳秒。
为了收集“宇宙线雨”，探究宇宙起源、天体演化，中国科学院高能物理研究所(以下简称“中科院高能所”)在四川稻城平均海拔4410米的海子山上，修建了大型高海拔宇宙线观测站：LHAASO(Large High Altitude Air Shower Observatory)，译为“拉索”，在藏语里的含义是“好”，表示欢呼。
5月10日，拉索项目通过国家验收，成为目前国际粒子天体物理三大实验设施之一，对促进该领域实现重大原创突破、带动前沿交叉相关学科发展和国际合作具有重要意义。
截至目前，基于LHAASO项目发表的期刊论文累计约215篇，已有两项重要成果分别登上《自然》《科学》世界顶尖杂志。
构造
拉索面积接近两个故宫，可全方位、多变量测量伽马射线和宇宙线
“拉索”占地面积约2040亩，面积接近两个故宫。由地面簇射粒子探测器阵列(包含5216个电磁粒子探测器和1188个缪子探测器)、水切伦科夫探测器阵列(面积约78000平方米)和广角切伦科夫望远镜阵列(18台)组成，采用四种探测技术，可全方位、多变量测量来自高能天体的伽马射线和宇宙线。
地面簇射粒子探测器阵列
主要探测能量稍高的宇宙线
仅从外观上看，它是由1188个“土包”组成的圆形阵列。再仔细一看，“土包”们都扎着用来固沙的红头绳。这是缪子探测器，外表“土气”的它们平均每个造价10万元。
拉索项目副经理、中科院高能所研究员何会海介绍，这种探测器的目标是缪子，这是一种处于中间状态的粒子，穿透能力很强。有科普作家把缪子比为电子的“胖哥哥”，除了比电子重很多以外，其他性质与电子几乎完全一致。“当你走在拉索，每秒大概有100多个缪子穿透你的身体。不用担心，理论上来说，对你的身体不会造成影响”，他说。
之所以做成土包的形状，何会海表示，这是为了用土层吸收、屏蔽掉电磁成分，防止它们对探测产生干扰。
土堆下是一个直径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。缪子穿越土层，进入下面罐体的水中时，产生切伦科夫光，水袋顶部中心的形似“电灯泡”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。
何会海介绍，经过密封处理，纯水可以维持20年不变质，“过20年后拿出来还能喝，甚至比瓶装矿泉水还要干净。”
分布在缪子探测器周围、由绿色防水布包裹的长方体是电磁粒子探测器，共有5216个，二者互相配合，主要用于探测能量稍高的宇宙线。
水切伦科夫探测器阵列
专门用来探测能量较低的宇宙线
位于拉索正中心的，是一个深4.5米、占地78000平方米的纯净水水池，相当于2.5个北京“水立方”，它完全密封，水底布置国产巨型光电倍增管。这是水切伦科夫探测器阵列，专门用来探测能量较低的宇宙线。这里的水温常年保持在3℃以上，维修时工作人员不仅要忍受寒冷，也要时刻保持警惕以免掉下去。
广角切伦科夫望远镜阵列
高精度测量宇宙线能谱
除此之外，还有18台斜冲向天空的，由蓝色集装箱改装的广角切伦科夫望远镜阵列，对宇宙线能谱进行高精度测量。该阵列创新采用新型硅光电管，克服望远镜月夜无法工作的难题，有效观测时间延长1倍。
建设
走过5个高海拔区才选定这里
我国从20世纪50年代初期就开始了宇宙线探索。学成归国的第一代宇宙线研究人员于1954年在海拔3180米的云南落雪山建立国内第一个高山宇宙实验室。1987年，在中科院高能所研究员谭有恒等人的推动下，我国第一代伽马天文探测器“羊八井国际宇宙线观测站”在海拔4300米的西藏羊八井建成。
作为谭有恒的学生，曹臻成为观测站的第一位值班人员，也接下建设新一代宇宙线观测站的接力棒。2009年，曹臻代表团队正式提出了拉索计划。他们走过西藏、青海、云南、四川省内的5个高海拔地区，最终在2014年选中四川甘孜州稻城的海子山。
2017年6月，拉索开始动工，许多羊八井观测站的“老员工”参与了新一代宇宙线观测站的建设。工作人员住在海拔3750米的稻城县城里，每天早上8：30乘车去往海子山，中午会有人把盒饭送到山上，当天下午5点左右乘车返回。少数值班的人会留在山上过夜，有人说夜里偶尔会听见狼叫。
何会海说，高原反应是他们面临的第一道关卡，建筑团队上山后，三天之内能留下来的大概只有50%。科研团队中，没有人因为高反离开。何会海表示，很多人一年里在高原上待的时间甚至超过300天，只有在冬天的一两个月不在高原。何会海和部分工作人员，因长期暴露在强烈的紫外线下，肤色黝黑，脸颊有些许泛红。建成后，在拉索的工作人员一个非常重要的工作是巡逻，看看土包的运行情况，检查插头、螺丝等。何会海形容这份工作类似铁路上的巡道工，工作内容无聊且耗费体力，全部巡逻一遍需要2-3个月的时间。除了中科院高能所的工作人员，现场还有藏族的兄弟姐妹参与运维工作，目前在岗的将近20人。
成果
取得多项世界之最，将成以中国为主、多国参与的国际宇宙线研究中心
拉索取得了许多项世界之“最”：世界上最灵敏的超高能伽马射线探测装置、世界上灵敏度最高的甚高能伽马射线源巡天普查望远镜，以及能量覆盖范围最宽的超高能宇宙线复合式立体测量系统。
2017年夏天，拉索破土动工。按照曹臻和团队计划，“拉索”一边建设一边运行，2020年1月，拉索建成一半阵列时，已经投入运行的设备就接收到令人激动的观测结果。拉索记录到最高1.4PeV的伽马光子，相当于医学诊断用的X射线能量(约1万电子伏特)的1000亿倍，是目前为止观测到的最高能量光子。科研人员发现，银河系内普遍存在能够将粒子能量加速超过1拍电子伏特的超高能宇宙线加速器，年轻的大质量星团、超新星遗迹、脉冲星风云等是超高能宇宙线起源的最佳候选天体。同年5月17日，这一成果发表于《自然》杂志，被评价为“真正的突破”和“新时代的开始”。
2020年7月9日，科研人员利用“拉索”精确测量到高能天文学标准烛光——蟹状星云的亮度，在更广的能量范围内为超高能伽马光源测定了新标准，这一成果发表在《科学》杂志上。
目前，拉索收集到的海量数据，从海子山实时传输到位于北京石景山的中科院高能所，由科研人员对数据进行分析处理。何会海表示，得益于通讯技术的发展，可以通过远程传输数据，极大地提高了数据的时效性和科研效率。
曹臻认为，拉索在处理数据方面提供了一种范例，但随着计算机技术的发展，相信未来可以做到数据就地处理。据了解，拉索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LHAASO的国际合作组成员单位。截至目前，基于“拉索”项目发表的期刊论文超过200篇，会议论文超过150篇。LHAASO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。
揭秘
为什么要观测宇宙线？中国为什么要建拉索？
宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子，主要由氢核、氦核、铁核等多种元素的原子核组成，并包括少量正负电子，是人类目前能从宇宙深处获得的唯一物质样本，被称为传递宇宙大事件的“信使”。
“研究宇宙线及其起源是人类探索宇宙的重要途径。”“拉索”首席科学家、中科院高能物理所研究员曹臻介绍，宇宙线被发现110多年以来，相关探索研究已产生数枚诺贝尔奖牌，但依然有众多谜题待解，宇宙线起源被国际物理学界列为“新世纪11个科学问题”之一。
据介绍，观测宇宙线，可以“上天”，用粒子探测卫星寻找；可以“下海”，在水底安装中微子望远镜；也可以“上山”，在高海拔地区搭建观测站。
曹臻用了一句特别质朴的话作答：中国人想要获得宇宙解释的话语权。
上世纪50年代，老一辈科学家在海拔3180米的云南落雪山建造了我国第一个高山宇宙射线实验室，以头顶蓝天、脚踏云海、胸怀祖国、放眼世界的精神和情怀，在非常艰苦的物质条件下，仍然紧盯国际粒子物理研究前沿。
曹臻对拉索充满信心，认为将来有望破解宇宙线起源难题。他说，中华文明是世界上最古老的文明之一，但目前的宇宙观中，中国没有任何贡献，这是一件很悲哀的事情。只有做出世界一流的科研成果，才能改变这种局面。
中科院高能所副所长董宇辉对此也感触颇深，认为“自立自强”意味着中国要在不依赖他人的情况下做成一件重要的事情，面临“卡脖子”难题说明本领不够。他还强调，自立自强不代表要闭关锁国，要在整个人类的文明体系里面留下印记，必须要跟别人合作，大家互相有贡献才能形成命运共同体。
采写：南都记者 郭若梅 整合来源新华社、澎湃新闻、封面新闻等 |
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发表于 2023-6-6 10:07
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