幻響未來全球追光⑥｜在海拔4410米的海子山，遇見捕捉“天外來客”的“火眼金睛”

10月18日至22日，第81屆世界科幻大會將在成都舉辦。紅星新聞、每日經濟新聞日前聯(lián)合啟動“幻響未來，全球追光”大型融媒體采訪報道，追尋科幻轉換為現(xiàn)實背后人類不同文明所共同擁有的科技與夢想之光。

今天，我們帶你攀上海拔4410米的四川稻城海子山，探訪今年5月順利通過國家驗收的以宇宙線觀測研究為核心的國家重大科技基礎設施高海拔宇宙線觀測站LHAASO（下稱：拉索），揭秘這雙“火眼金睛”如何捕捉“天外來客”。

國家重大科技基礎設施高海拔宇宙線觀測站LHAASO

人們總是會孜孜不倦地去探索未知領域，已被人類發(fā)現(xiàn)百余年的宇宙線，就是宇宙探索中最令人著迷的未解之謎之一。

在我們肉眼看不見的宇宙深處，無數粒子正以接近光的速度飛馳，穿過浩淼宇宙，時時刻刻造訪著地球。這些產生于宇宙深處的高能“子彈”，就是宇宙線，其成分包括質子和各種原子核，還有少量的光子、中微子、電子等。在靠近地球的太空中，每分鐘約有一個宇宙線穿過一枚硬幣大小的面積，人類對這些肉眼看不見的“天外來客”渾然不覺。

宇宙無限，“信使”有痕。作為太陽系以外唯一的物質樣本，宇宙線攜帶著宇宙起源、天體演化、太陽活動及地球空間環(huán)境等重要科學信息，研究宇宙線及其起源成為人類探索宇宙的重要途徑。

為“捕捉”這些“信使”，中國科學院高能物理研究所（下稱：高能所）在海拔4410米的海子山上，建設了高海拔宇宙線觀測站，力圖通過解析這些“天外來客”，破解宇宙線起源謎題。

在海拔4410米的蒼茫高原 叩問“未解之謎”

9月底的一天，紅星新聞記者登上了海拔4410米的海子山，這里空氣稀薄，荒無人煙，夜晚的溫度已降至0度。盡管此前曾在圖片和視頻中多次見過拉索，但仍被眼前的景象所震撼——

站在觀景臺最高點，占地面積約1.36平方公里的拉索形似一個“大圓盤”。“大圓盤”之中，分布著三大探測器陣列，包括由5216個電磁粒子探測器和1188個繆子探測器構成的一平方公里地面簇射粒子探測器陣列、78000平方米的水切倫科夫探測器陣列，以及18臺廣角切倫科夫望遠鏡。

這些聽起來晦澀難懂的陣列，現(xiàn)場看上去卻非常“接地氣”。

國家重大科技基礎設施高海拔宇宙線觀測站LHAASO

最引人注意的，是數以千計的土堆，每個土堆“身高”約2.5米，彼此間隔約15米，均勻分布在圓盤之上，占據了“拉索”絕大部分場地。

“這些土堆就是繆子探測器。”高能所研究人員王玉東告訴記者，真正的秘密藏在土堆之下，那里有一個直徑6.8米、高1.2米的混凝土罐體，罐體中放置了裝有超純水的高反射率水袋。厚厚的土堆可以屏蔽粒子，讓水袋“捕捉”到繆子。

繆子探測器陣列（紅圈土堆）和電磁粒子探測器陣列

再往前看，是呈“品”字形排列的白頂建筑，這就是78000平方米的水切倫科夫探測器陣列。

走進水切倫科夫探測器陣列內部，穿過黑暗的人工通道，映入眼簾的是一片看不到盡頭的水池。打開手電筒向水下照射，一個個光電倍增管閃爍著點點星光。這些“照射燈”其實不是“燈”，而是接收從宇宙奔騰而來的粒子在水中產生的信號探測器。

王玉東介紹，水切倫科夫探測器陣列中的水池深4.5米，水池由隔光簾分割成3120個5米×5米的單元，每個單元內水底放置兩個光電倍增管。探索宇宙線的“秘密武器”就藏在這一個個光電倍增管中。

相比前兩者，廣角切倫科夫望遠鏡陣列看上去是更接近現(xiàn)實意義上“觀測”宇宙的存在——由25塊球面反射鏡和具有1024個像素的硅光電管相機組成的18臺望遠鏡隱匿在集裝箱中，它們靜等夜晚的到來。

廣角切倫科夫望遠鏡陣列內部

“為了增加望遠鏡的有效觀測時間，拉索項目要求在望遠鏡中采用新型硅光電倍增技術，使得望遠鏡能夠在月夜觀測，這也為拉索項目取得研究成果打下堅實基礎。”王玉東說，這也是技術上的新突破，要知道，曾經的切倫科夫望遠鏡只能在晴朗無月的夜晚工作，否則望遠鏡的“眼睛”將會被太陽光或月光“灼傷”。

三大陣列協(xié)同工作 自然界也是拉索探測器陣列的組成部分

拉索究竟是如何工作的？

“協(xié)同。”王玉東用了這個詞來總結。

來自浩渺天空的宇宙線從四面八方奔騰而來，在經過大氣層時，會和大氣中的原子核發(fā)生相互作用，產生許多次級粒子，次級粒子繼續(xù)和大氣中的原子核相互作用產生新的次級粒子，如此往復，最終次級粒子將如雨點般繽紛落下，瞬間散布在數平方公里的面積上，“就像撒了一把黃豆，而拉索就像一張大網，正好能夠‘接住’這場空氣簇射中最多的粒子。”

拉索選址稻城

當粒子“陣雨”落到拉索上時，三大陣列的探測器通過閃爍體、水、大氣等轉換介質，將粒子“陣雨”在介質中沉積的能量轉化成光子，再經光電倍增管接收放大后，通過光電轉化，就變成我們熟悉的電信號讀出并記錄。分析粒子“陣雨”攜帶的信息，就能分析出原初宇宙線與大氣的相互作用，以此來反推原初粒子的性質及方向，開展相關天文與物理研究。

“要想接住這些粒子，除了這張網要夠大，選址也至關重要，海拔太高或太低都不行。”王玉東說，在粒子“陣雨”抵達地面的過程中，會被大氣層“吞噬”一部分，在高海拔地區(qū)布局探測器，就是為了搶在大氣層“吞噬”前，捕捉到更多的次級粒子，獲取更多信息。而如果海拔過高，粒子還沒來得及碎裂、散射，觀測效果也不佳。

“在海拔4000—5000米的高度找一塊足夠大的平地”，這是選址的硬性條件之一。此外，還要光纖通達和充足的供電，有就近水源滿足用水需求，同時交通方便利于設備運輸組裝。所有條件綜合下來找到一個“最大公約數”并不容易。前期，拉索團隊跑遍了西藏、青海、云南、四川等所有具備高海拔特征的區(qū)域，最終選擇了海子山。“四川省政府也給予了鼎力支持。”天時地利人和，拉索最終選址稻城。

在觀測過程中，三大陣列各司其職：

繆子探測器的土層可以用來屏蔽次級粒子中的電磁成分，當繆子進入土堆下的水體，在水中產生切倫科夫光，水袋頂部中心的光電倍增管將接收的光信號放大，再轉化為電信號進行測量。隨著拉索地面簇射粒子陣列運行和更多數據的積累，更多的超高能伽馬源正在被發(fā)現(xiàn)，在可預見的未來10年內，拉索地面簇射粒子陣列將一直是超高能段國際上最靈敏的探測裝置。

水切倫科夫探測器陣列則是通過水為介質進行觀測。王玉東介紹，原初宇宙線進入大氣后產生空氣簇射，產生的次級粒子到達地面在水中產生微弱的切倫科夫光，被池內的光電倍增管接收后轉換為電信號。而通過對電信號的數據分析，就可以重建原初伽馬射線或宇宙線的到達方向、能量等參數，實現(xiàn)對伽馬源的高靈敏度觀測，由行蹤溯源頭。

18臺廣角切倫科夫探測器則像一個個巨大的相機，當“探頭”，也就是球面鏡“捕捉”到空氣中的宇宙線后，光斑反射成像，最終成像數據再匯聚到計算機機房，以此描繪出宇宙線的運動路徑。

因此，某種程度上來說，除了三個探測器陣列，自然界也是“拉索”探測器陣列的組成部分，這些介質包括大氣層、土地、水等等。

也正是三大陣列的協(xié)同工作，讓宇宙線的探測結果更加精準全面。“就像我們去醫(yī)院體檢，通過多種檢測手段相互佐證，醫(yī)生就能得到最精確的結果。”王玉東說。

邊建設邊產出 “離完成我們的目標已經不遠了”

“十年磨一劍。”王玉東用這句話，來形容“拉索”背后的建成史。

2009年，在北京香山科學會議上，LHAASO項目首席科學家、LHAASO國際合作組發(fā)言人、中國科學院高能物理研究所研究員曹臻代表團隊提出在高海拔地區(qū)建設大型復合探測陣列拉索的完整構想。7年后，國家正式立項批復。2021年11月，拉索項目按期、全面完成了國家發(fā)展和改革委員會批復的各項建設任務，成為國際高水平的超高能伽馬射線探測裝置，也是世界上重要的粒子天體物理支柱性實驗設施之一。

繆子探測器陣列（紅圈土堆）和電磁粒子探測器陣列

事實上，拉索在建設期間就已經開展觀測，科學成果持續(xù)產出。基于其超高的探測靈敏度，拉索在初步運行期間已經取得多項突破性的重大科學成果——

2020年，拉索在銀河系內發(fā)現(xiàn)大量超高能宇宙加速器候選天體，并記錄到能量達1.4拍電子伏的伽馬光子（拍=千萬億），這是人類觀測到的最高能量光子，突破了人類對銀河系粒子加速的傳統(tǒng)認知，開啟了“超高能伽馬天文學”時代。

2021年7月，基于拉索觀測站測定標準燭光的超高能段亮度，發(fā)現(xiàn)拍電子伏伽馬輻射的研究成果，由中國科學院高能物理研究所牽頭的拉索國際合作組在《科學》（Science）上發(fā)表。這個標準燭光就是由宋朝的司天監(jiān)發(fā)現(xiàn)并記錄的“客星”（也就是著名的天體蟹狀星云）。拉索還記錄到能量達1.1拍電子伏的伽馬光子，由此確定在大約僅為太陽系1/10大小的星云核心區(qū)內存在能力超強的電子加速器，加速能量達到了人工加速器產生的電子束的能量兩萬倍左右。

2022年10月9日21點17分，拉索和高能爆發(fā)探索者、慧眼衛(wèi)星同時探測到迄今最亮的伽馬射線暴，在這次觀測中，拉索將伽馬射線暴光子最高能量紀錄提升了近3倍，在國際上首次打開了10TeV（萬億電子伏特）波段的伽馬射線暴觀測窗口，并首次完整記錄伽馬射線暴TeV波段輻射的完整光變，這些觀測結果打破了多項伽馬射線暴觀測紀錄。

“這些聽上去好像離我們非常遙遠，但離完成我們的目標已經不遠了。”王玉東告訴記者，宇宙線探測的目標之一，就是探索宇宙線起源。他相信，未來人類肯定會走出地球，進入外太空，就像科幻電影《流浪地球》中講述的那樣。“當我們去外太空尋找一個新的家園時，只有在深入了解的基礎上，才能積極應對。”

在預先研究和建設期，拉索完成了多項關鍵核心技術攻關。例如，拉索項目發(fā)展了基于“小白兔”技術、適應4000米以上高海拔野外工況的大面積、多節(jié)點、高精度時鐘同步技術，遠距離同步精度提升到0.2納秒，達到國際領先水平；在海量數據獲取技術上取得顯著進步，發(fā)展并實現(xiàn)了“無觸發(fā)”數據獲取，對數據傳輸率高達4GB/s的宇宙線事例實現(xiàn)“零死時間”觀測；采用特殊的數據篩選技術，對海量數據進行無損壓縮，實現(xiàn)從四川海子山到北京高能所的實時數據傳輸。

在王玉東看來，這些技術，未來也將積極應用于交通、通訊、醫(yī)療等方面，融入人類生產生活之中。與此同時，大科學裝置所使用的設備都需依靠自主研發(fā)，這對產業(yè)提出非?？量痰囊?。大科學裝置對國內工業(yè)領域產業(yè)的刺激，它能促使產業(yè)不斷去完善更新技術，促進相關配套發(fā)展，完善產業(yè)鏈條。

那么，拉索產出的這些突破性的知識改變和科研成果，能否直接影響到我們生活？

此前，曹臻研究員在接受記者采訪時也回答了這個問題。他提到，涉及到這么高能量的加速器還沒有進入到我們的日常生活，但基于同等原理的“縮小版加速器”，已經逐漸變成我們醫(yī)療設備、工業(yè)探傷等技術基礎。比如，上世紀五十年代建的加速器，目前在我國一些大型醫(yī)院已經開始作為腫瘤治療的一個基本手段。中科院高能所在東莞也建立了一個中子中心，其產生出來的中子源可以用來進行腫瘤治療方面的研究?？梢韵胂螅吣芰康募铀倨鲿饾u變得越來越重要。

高能量的加速器將逐漸變得越來越重要

隨著新發(fā)現(xiàn)源源不斷涌現(xiàn)，拉索也在不斷進步。

王玉東提到，2021年，拉索發(fā)現(xiàn)了超高能伽馬射線，當時受限于探測器陣列本身性能，伽馬源發(fā)現(xiàn)后發(fā)現(xiàn)位置不是很精確。就像近視眼看東西就會模糊，這時就需戴上眼鏡。

“我們必須建設新的探測器，更精確地知道伽馬射線的位置。”他提到，現(xiàn)有的LHAASO地面簇射粒子探測器陣列分辨率大概為0.3度，正在預研階段的切倫科夫望遠鏡陣列將優(yōu)于0.06度，比原來的要精確5—6倍。目前在成都和海子山，已經分別建成一個樣機。未來，將有32臺新的望遠鏡分布在陣列里。

因為海拔較高，拉索能探測到的宇宙線種類非常豐富。因此，除了捕捉天外來客，拉索也為科研提供了一個實驗場。

例如，現(xiàn)場就有一個高能所和俄羅斯合作的項目--電子中子探測器陣列（ENDA）。當宇宙射線引發(fā)的簇射到達地面，和環(huán)境介質（比如土壤）相互作用，就會產生中子，這時候，64臺探測器組成的ENDA陣列就會進行地面觀測。

電子中子探測器陣列（ENDA）

偶然中的必然 “我們有最好的探測器，因此有最好的發(fā)現(xiàn)”

這是34歲的王玉東加入拉索項目的第四年。本科、碩士、博士都在四川大學就讀的他，在成都已經是第十四個年頭。

拉索是一個國際合作項目，四川大學參與了廣角切倫科夫望遠鏡成像探頭電子學的研制工作，當時王玉東所負責的，是廣角切倫科夫望遠鏡成像探頭的長期穩(wěn)定性檢驗工作。博士畢業(yè)后，王玉東進入高能所，加入LHAASO團隊，負責廣角切倫科夫望遠鏡光學系統(tǒng)中反射鏡的檢測、安裝、調試、維護等工作。

事實上，除了四川大學，還有更多成都創(chuàng)新力量參與其中，并發(fā)揮著重要作用。今年2月13日，天府宇宙線研究中心（下稱“中心”）正式入駐成都科學城，中心依托拉索開展科學研究，凝聚相關領域的頂尖隊伍，支撐其科學運行，深度開展相關研究，為解開宇宙線起源這一“世紀之謎”提供重要的科學支撐。

王玉東剛加入拉索項目時，正好趕上拉索建設的關鍵時期。那時，一年時間里，幾乎有一半時間，他都輾轉于北京、天津、成都和稻城等地出差。在建設初期，由于邊建設邊運行，很多探測器性能尚不穩(wěn)定，團隊通常都需通宵達旦工作，群里也經常閃爍著消息，望遠鏡觀測狀態(tài)一旦出現(xiàn)偏差，就要馬上起身進行調試。

其他探測器陣列亦如此。

海子山上地貌復雜，高寒缺氧，冰川活動產生了大量巨石。他還記得第一次上山的場景，那是2019年10月，生于內陸的他第一次上到如此高的海拔，高反嚴重，“一下飛機就懵掉了”，腦袋昏沉，怎么從機場乘坐大巴前往基地都不知道。因為缺氧，晚上睡不好，整晚都在做同一個夢，夢中在不停調試望遠鏡，但怎么也調不好……

也因地貌和氣候原因，1188個繆子探測器的建設尤為困難。而難中之難，是觀景臺下方的四個繆子探測器修建，因為此處布滿如房子大小的亂石堆，要想施工，就需挖出深坑，布局探測器。

考慮到土建工程的難度，團隊最初放棄了該區(qū)域繆子探測器修建。但后續(xù)，曹臻意識到如果放棄修建，“就像一張大網上有一個窟窿”，會嚴重影響到探測器性能。為此，團隊和施工建設方幾易施工方案，最終完成探測器的建設。

在亂石堆中安裝的電磁粒子探測器陣列

除了高海拔地區(qū)的體能考驗，中科院高能所的研究人員們還要承擔巨大的心理壓力。在白雪皚皚之時，山上偶爾也會聽到狼嚎。

“這里非常艱苦，但對于科研人員來說，我可以直接和探測系統(tǒng)打交道，像精心呵護孩子一樣，從預研到安裝調試，讓它處于一個最佳狀態(tài)，去發(fā)現(xiàn)新的物理現(xiàn)象，這對我來說是非常大的慰藉。”除此之外，還有大自然的饋贈。“這里光污染很少，天氣好時，晚上可目視星空銀河。你會感受到宇宙的浩渺，而探尋那一端的答案，也是我的使命。”

高海拔宇宙線觀測站的絕美星空

采訪最后，記者問了一個問題：“自建設至今，拉索創(chuàng)造了諸多之‘最’。拉索‘捕捉’到它們是概率性事件嗎？”

“宇宙線對地球是公平的，但也有特殊事件，例如2022年10月9日探測到迄今最亮的伽馬射線暴，它發(fā)生的時間很短，但剛好落在了拉索‘視場’范圍內。”王玉東不否認事件的偶然性，但偶然中也有必然。這個必然就是：“我們有最好的探測器，因此有最好的發(fā)現(xiàn)。”

紅星新聞記者 彭祥萍 攝影記者 王勤 發(fā)自四川稻城