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【上观】追宇宙线的人
文章来源:  2023-05-11
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   宇宙线是什么?

  它以光速行进,每秒钟都在穿越我们的身体。

  111年前,奥地利物理学家赫斯以非凡的勇气,乘坐气球到达5350米的高空,首次发现了宇宙线。

  它是传递宇宙大事件的“信使”,携带着宇宙起源、天体演化等“元密码”。有关宇宙线的探索,已获得5枚诺贝尔奖,但人类至今仍未找到宇宙线起源。绝大多数宇宙线会在星际磁场中偏转,到达地球时失去了原初的方向信息,因此无法反推其“源”的方向。这一“世纪之谜”在2014年被国际物理学界列为“新世纪11个科学问题”之一。

  在中国,在世界屋脊青藏高原,有一群正在追宇宙线的人。解放日报·上观新闻记者站在海拔4410米的四川海子山,极目远眺,也无法把“高海拔宇宙线观测站”(LHAASO,简称拉索)这一大科学装置尽收眼底。它占地面积约1.36平方公里,相当于190个足球场大小。

   

  从高空俯瞰,“拉索”像是一枚外圆内方的“铜钱”。来源:中科院高能物理所

  这里曾经荒无人烟,不仅缺氧,而且恶寒。中国科学家追着宇宙线而来,从原始无人区到科研“无人区”,他们不仅建造了一个工程“奇迹”,而且刷新了人类探测得到的最高能量光子纪录,开启了“超高能伽马天文学时代”。国际公认,至少未来10年的高能伽马射线天文学研究属于中国的“拉索”。

  非凡的科学勇气,穿越百年,在海拔4410米的高处依然耀眼。

  今天,“拉索”通过国家验收,各项指标达到或优于批复的验收指标,成为目前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。“拉索”的建成运行,使之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。

  解放日报·上观新闻记者走近这群“追宇宙线的人”。

  【急迫】

  如果用一个词来形容中科院高能所研究员曹臻提出“拉索”构想时的心情,“急迫”再贴切不过。那是在2009年的北京香山科学会议上,而欧洲早于3年前就提出了同领域另一种方式的观测计划,打算建设一个100台望远镜的阵列。

  中国科学家的这种急迫,始于更早时。1954年,在海拔3180米的云南落雪山,建立了我国第一个高山宇宙线实验室。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、中意合作宇宙线探测实验。

  高山见证了中国科学家一次次对宇宙线的追逐。但历史有其自身规律,那时候中国的“研究与开发”总投入无法与当下同日而语,工业体系也不如现在完备。就连当时国际上最具代表性的羊八井宇宙线观测站,也只是一个小于2万平方米的单一探测器。

  当时光行进到2009年,机会来了——“拉索”构想激发了学界的共鸣。

  在申请立项的同时,选址工作也在同步进行。高海拔地区对于宇宙线的观测得天独厚,能够捕捉到最多粒子,而全世界在海拔4000米有基础设施条件的地方本就不多,一是青藏高原,二是南美的安第斯山脉。“拉索”团队在5年里跑遍了西藏、青海、云南、四川等地。

  “拉索”首席科学家、项目经理曹臻第一次来海子山踏勘就遇到了狼,“它就在山头上蹲着,几乎每个夜晚都能听见狼叫声”。

  明明是苦寒之地,四川海子山为何被科学家相中?“交通便利,距最近的国道仅百米之遥,距稻城亚丁机场10公里。光纤网距站址200米,确保了海量数据的收集和传输。地势平坦,最大落差处仅30米,便于探测器阵列的布局与安装。还有着丰富的优质水源。”

  2015年最后一天,辞旧迎新之际,“拉索”获国家发改委批复立项。这偶然地契合了几年后“超高能伽马天文学”序幕的开启。

  【奇迹】

  建设“拉索”期间最多时有600多位工人同场作业,这让国外天文学界颇为吃惊。毋庸置疑,“拉索”本身就已是一个工程上的“奇迹”。

  不妨先来感性认识一下“拉索”:它由三大阵列组成,若从高空俯瞰,它像是一枚外圆内方的“铜钱”。中间主体建筑像一个“品”字,它是78000平方米的水切伦科夫探测器阵列,是世界上面积最大的人工水体探测器,相当于6个足球场大小,其纯净水体为35万吨,相当于190个标准泳池水量。若是划船巡检一圈,需要好几个小时;围绕着“品”字,有1188个土堆,这是缪子探测器,每个土堆都绑着固沙用的“红头绳”。土堆空隙处,点缀着5216个电磁粒子探测器,为防日晒雨淋,上面罩着白布或绿布;在这片广袤场地的一角,18台广角切伦科夫望远镜俯仰有度,静静矗立。

一个个土堆是缪子探测器,空隙处点缀着电磁粒子探测器

  解放日报·上观新闻记者行走在这三个阵列之间,既感叹这一科学装置之“大”,更感佩中国科学家为探究前沿科学问题的投入之“深”。

  一脸黝黑的“拉索”项目副经理兼总工艺师、中科院高能所研究员何会海,身着一件蓝马甲,背上写着“4410米”。这像是一种无声的提醒,在海拔4410米处,说话是体力劳动,跑跳是危险行为,就连一呼一吸甚至也成为被关注的事情。

 

    “有位建筑工人,来的时候白白净净,几天后就胡子拉碴,衣服上全是油污,乍一看都认不出是同一个人。小伙子当时因高原反应很难受,但他说,能为国家做点事情很自豪。为抢进度,工人们还自发三班倒。”中科院高能所高级工程师冯少辉说,但也有一半工人因为无法适应高原而离开。

  科研人员更是拼了。“有同事一年在山上待了300多天,因为要盯现场。后来只能硬性规定一次上山绝不许超过两个月。我们每个人都有一个箱子,随时准备出差,抬起脚说走就能走。”何会海告诉解放日报·上观新闻记者。“拉索”的零部件都是非标产品,作为总工艺师,他几乎跑遍了中标的70个厂家,行程最紧时曾经20天出了12趟差。

  “无论有多大的困难,都要去克服……克服就是要去做这个做不了的事情。”解放日报·上观新闻记者在海子山上偶遇了写有这句话的木牌。曹臻回忆,当时在铺设缪子探测器时,山顶上也布局了几个,但由于施工太困难,一开始放弃了,后来发现这对观测有很大影响,于是提出“再困难也要干”。

   

  因为海子山冬季太冷,无法进行基建施工,于是设备安装就被安排在了冬季。“这里的最低温度是零下35摄氏度,我在咬牙坚持的时候,看看旁边的同事,他也在咬牙坚持。于是,我们继续咬牙坚持。”中科院高能所副研究员刘成说,至今留存在他心底的并不是工作多么辛苦,而是那漫天飞舞的雪花。

  【突破】

  一个大科学装置的建设,往往会带来诸多技术突破,甚至是跨越。

  就拿水切伦科夫探测器阵列来说,这是科研人员原先最不熟悉的一种探测器。为探测到非常微弱的切伦科夫光,需要在水底安装晶莹剔透的巨型“玻璃泡泡”,也就是20英寸光电倍增管,它可以将微弱的光信号转化成电信号。“原本世界上只有一家公司能生产这一设备,我国北方夜视公司与中科院高能所合作将其国产化,并将时间响应提高了3倍,在世界上属于首创。”中科院高能所研究员陈明君说。

   

  水切伦科夫探测器阵列。来源:中科院高能物理所

  解放日报·上观新闻记者在距离“拉索”60公里的测控基地看到一面特别的墙,由数十个20英寸光电倍增管的次品排列而成。它们见证了这一器件的国产化道路上,科研机构和企业协同攻关的不易。

   

  一面特别的墙

  “中标单位原以为我们要的是‘拖拉机’,没想到最后的性能需求堪比‘跑车’。”冯少辉提及的正是水切伦科夫探测器的水池工程,避光、防渗、防腐、保温,是对35万吨水体的起码要求。“一旦结冰就是灾难性的,因此水体温度的昼夜浮动幅度必须保持在0.05摄氏度以内,总水量每天的变化率要控制在3‰以内,轻钢屋面在饱和水蒸气环境下要长期不生锈。”这一“小体量”工程实现了国内高寒地区的诸多创举,以全票通过获得四川省建设工程天府杯金奖,而天府杯以往主要奖励“大体量”工程。

  记得《爱丽丝梦游仙境》里的兔子先生吗?它浑身挂满了表,任意时刻可以同时出现在多个地方。“‘拉索’阵列有上万个单元,相当于有上万块表,我们在世界上首次将‘对表’精度控制在了0.2纳秒,这样可以精确地计算宇宙线入射方向。”何会海说。

  18台蓝色望远镜,是高原上的一抹亮色。即使在有月亮(甚至是满月)的晚上,它们也能如常观测,突破了传统切伦科夫望远镜无法在月夜工作的“短板”,实现有效观测时间的成倍增长。

 

  广角切伦科夫望远镜阵列的一部分

  2460公里,这是从海子山到地处北京的中科院高能所的距离。让解放日报·上观新闻记者惊讶的是,建在海子山上的数据中心竟然可以做到“无人值守”,而且科研人员采用特殊的数据筛选技术,对海量数据进行无损压缩,实现了跨越2460公里的数据实时传输。“早些年在西藏羊八井时,我们的数据传输主要靠邮寄磁带,三个月寄一次。现在‘拉索’不仅可以实时传输,还能远程在线维护。”何会海说。

  【宇宙】

  “我现在的心情很兴奋,因为出了这么多突破性成果。”曹臻告诉解放日报·上观新闻记者,相比14年前提出“拉索”构想时的“急迫”,现在的他更加“从容”。而当时欧洲计划做一个100台望远镜的阵列,至今只造了一台望远镜。

  得益于超高的探测灵敏度,“拉索”一直是边建设边运行。人类直到2019年才探测到首个超高能伽马射线源,而时隔两年,刚建设了一半的“拉索”就将超高能伽马射线源数量提升到了12个,刷新了人类观测到的最高能量光子,开启了全球学界瞩目的“超高能伽马天文学”时代。

  如同“日地距离”是一个常用天文单位,蟹状星云的亮度作为“标准烛光”也是一个常用天文单位。而“拉索”对蟹状星云进行了前所未有的精确测定,发现1千万亿电子伏的伽马光子,挑战了理论极限。

  当宇宙线进入大气层,会产生许多次级粒子,最多可达百亿粒,宛如下了一场粒子“阵雨”。“拉索”就像一个全天候“集雨”装置,与世界同类装置相比,它海拔最高、规模最大、灵敏度最强。

  “拉索”打开了观测宇宙最高能量的一扇窗,国际天体物理会议现在逢会必谈“拉索”。目前,“拉索”面向国内外全面开放共享,已有28个天体物理研究机构成为其国际合作组成员单位。

  天文学上,当探测器灵敏度上升到一个新高度,人们会看到一个新宇宙,这是可期的。但它具体什么样子,是不可期的。“我们的文明是最古老的文明之一,但现在的宇宙观没有中国人的贡献。只有做出世界一流的科学成果,关于宇宙的构成和解释,我们才有话语权。我们是‘拉索’的建造人,因此是最懂‘拉索’的人,理应做出最好的成果。”这群追宇宙线的人说。

  相关链接:

  什么是切伦科夫效应?

  ——以发现人、苏联物理学家切伦科夫命名。宇宙线的带电粒子能量比较高,如果它们的速度超过介质中的光速,会发生切伦科夫效应,即沿着粒子前进方向会产生一个光锥,类似于飞机超音速时发生的“音爆”现象。这一过程可在空气或水中发生,空气中发生的是大气切伦科夫光,水中产生的是水切伦科夫光。

  缪子是什么?

  ——缪子是自然界的基本粒子之一,具有极强的穿透能力,由卡尔·安德森发现。他在研究宇宙线时发现,这种粒子在穿过磁场时弯曲的形态与已知粒子不同,它的弯曲度比电子小,却比质子大。

引自上观新闻2023.5.10版 原地址:https://www.shobserver.com/staticsg/res/html/web/newsDetail.html?id=611147


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