要揭秘高海拔宇宙线观测站是如何探索宇宙之谜的，首先要了解什么是宇宙线，以及为何要通过宇宙线来探索宇宙。

　　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，穿过浩淼的宇宙，时时刻刻造访着地球。“我们仰望星空的瞬间，可能就已经有一百多个缪子降落在身侧，甚至‘穿越’我们的身体。”中国科学院高能物理研究所研究员、“拉索”工程副经理兼总工艺师何会海打了这样一个比方。

　　这些产生于宇宙深处的高能“子弹”，就是宇宙线。宇宙线主要由质子和多种元素的原子核组成，并包括少量电子和光子。

　　距离人类如此遥远，宇宙线的研究意义在哪？

　　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。

　　事实上，“拉索”的提出和建设并不是国内宇宙线研究迈出的第一步，中国的宇宙线实验研究一共经历了三个阶段。

　　1954年，中国第一个高山宇宙线实验室在云南东川海拔3180米的高山建成；1989年至2000年，在海拔4300米的西藏羊八井相继启动了中日合作ASγ实验、中意ARGO-YBJ实验。2009年，在香山科学会议上，曹臻研究员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，这就是第三代高山宇宙线观测站。

 

　　▲四川省甘孜州稻城县海子山，高海拔宇宙线观测站（LHAASO）

　　为什么要选择高原进行宇宙线实验室建设？海子山又为何能成为第三代高山宇宙线观测站建设所在地？

　　“高山实验能够充分利用大气作为探测介质，在地面进行观测，探测器规模可远大于大气层外的天基探测器。由于高能量宇宙线数量稀少，采用大规模探测器是唯一观测手段。”何会海介绍。

　　经过广泛选址和实地踏勘调研，“拉索”项目最终落地四川稻城海子山，这离不开海子山便利的交通，平坦的地势，优质、丰富的水资源和主干通讯光纤网——能够实现强大的数据传输与交换能力，实现2.4Gbps的数据带宽，确保“拉索”海量数据的收集。

由行踪溯源头水切伦科夫探测器阵列实现原初伽马射线或宇宙线的参数轨迹重建

　　从无人机的视角看来，坐落于海子山的“拉索”观测站形似一个“大圆盘”。

　　“拉索”占地面积约1.36平方公里，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、18台广角切伦科夫望远镜等三大阵列组成。

　　从现场观察，这些设备并不符合人们对“大科学装置”精密、冰冷的固有印象，相反，它们十分“接地气”。爬到海子山山坡上的观景台上遥遥一望，最引人注目的就是呈“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，映入眼帘的是一片在黑暗中看不到尽头的水池。打开手电筒向水下照射，一个个光电倍增管仿佛舞台上的照射灯，在水下闪烁着莹莹光泽。而这些“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。

　　高海拔宇宙线观测站项目WCDA大尺寸光敏探头负责人高博介绍，“水切伦科夫探测器阵列由两个150米×150米和一个300米×110米的大型全密闭式保温水池构成，水池深4.5米。”记者在内部看到，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。而探索宇宙的“秘密武器”就隐藏在这一个个光电倍增管中。

 

　　▲四川省甘孜州稻城县海子山高海拔宇宙线观测站（LHAASO），水切伦科夫望远镜阵列

　　那么水切伦科夫探测器阵列又是如何精准观测宇宙线的呢？水池在观测中又起到了什么样的作用？

　　高博介绍，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，就可以重建出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。

　　而在此前，“拉索”的水切伦科夫探测器中使用的光电倍增管曾一度被其他国家的供应商垄断，采购成本极高。“我国北方夜视公司与高能所成功研发20英寸快响应MCP-PMT，打破了国际上单一供应商垄断的局面，‘拉索’的水切伦科夫探测器71%的核心探测单元都使用了这种新型的光敏器件，并将时间响应提高了3倍；把观测阈能从3000亿电子伏降低到700亿电子伏，大大扩展了观测能力。”何会海介绍。

未来5-10年“拉索”地面簇射粒子阵列将一直是最灵敏的探测装置

　　在海拔4410米的海子山上，空气稀薄冰冷，阳光却显得特别刺眼。尽管已经到了五月，但海子山上的气温还在零度到几度徘徊，昼夜温差极大。

　　可以看出，建设“拉索”观测基地并不容易。何会海告诉记者：“当时拉索基地建设的时候更多的不是困难，而是苦。在四千多米海拔的高原，连说话都是‘体力劳动’。一位建筑公司的经理被派驻到‘拉索’，在三天的时间内又拉又吐又发高烧，几乎体验了所有的高原反应。”何会海给出这样一个数据：当时建筑单位的人上高原，能够留下来的只有50%。

　　再次俯瞰“拉索”观测基地，环绕“品”字形水切伦科夫探测器阵列，有数以千计的“土包包”（缪子探测器）整齐地排列在周边，占据了“拉索”基地的绝大部分场地。它们头戴红色“抹额”，每个土堆下都埋藏了一个神秘装置——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；土堆旁还排列着更多的绿色“小桌板”（电磁粒子探测器），显得十分质朴。

 

　　▲四川省甘孜州稻城县海子山高海拔宇宙线观测站（LHAASO），缪子探测器阵列（红圈土堆）和电磁粒子探测器阵列

　　1188台鉴别宇宙线和伽马射线的缪子探测器与5216台测量簇射事例的方向和能量的电磁粒子探测器，构成了规模惊人的“拉索”地面簇射粒子阵列。

　　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，与大气发生作用并形成空气簇射，宇宙粒子如同雨点般缤纷落下，击中散布在阵列中的探测器。而位于4410米高原的“拉索”观测基地，正好能够“接住”这场空气簇射中最多的粒子。

　　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5-10年，“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。

　　另一边，一个个巨大的望远镜正隐匿在集装箱中，等待夜晚的到来。这就是“拉索”三大阵列之一的广角切伦科夫望远镜阵列，阵列共有18台望远镜，每台主要由5平方米的球面反射镜和具有1024个像素的硅光电管相机组成。

　　使用望远镜似乎更接近现实意义上“观测”宇宙的形式。但曾经切伦科夫望远镜只能在夜晚工作，还一定得是晴朗无月的晚上，否则望远镜的“眼睛”将会被太阳光或月光“灼伤”。

　　“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，使得望远镜能够在有月的晚上观测，大大增加了观测宇宙线的时间，这也为拉索项目取得研究成果打下了坚实的基础。”何会海介绍。

边建设边产出截至目前，期刊论文累计约215篇，会议论文约156篇

　　北京时间2022年10月9日21点17分，高海拔宇宙线观测站、高能爆发探索者和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20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，这些观测结果打破了多项伽马射线暴观测纪录。

 

　　▲四川省甘孜州稻城县海子山高海拔宇宙线观测站（LHAASO），水切伦科夫望远镜阵列里的光电倍增管

　　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。截至目前，基于“拉索”项目发表的期刊论文累计约215篇，会议论文约156篇。

　　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9日，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。

　　“拉索”的自主创新和国际合作，完成了多项关键核心技术攻关。

　　在技术创新方面，“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。

　　发生在遥远宇宙深处的神秘故事

　　还在继续被“拉索”用地球的语言记录和书写

　　宇宙是未知的

　　但被“拉索”探测到的部分

　　变成了我们已知的世界

　　引自红星新闻2023.5.11版 原地址：https://static.cdsb.com/micropub/Articles/202305/3dc727d0dcddea6262feba9bc53d80e4.html?wxopenid=oBCTzjkhfvfzluUIsrD4jrnPpel4