东直门中学宇宙线观测站
学生研制的便携式伽马辐射检测仪
■通讯员 朱爱民 本报记者 胡珉琦
对于居住在地球上的人类来说，宇宙线是我们能够得到的来自太阳系外的唯一的物质样本。一百多年来，人类对宇宙线的研究一直没有停止过。新世纪物理学前沿有11个重大科学问题，其中一个就是宇宙线的起源、加速和传播问题。
通常探讨这样尖深的物理学问题只能是科学家的专利，其实不然。从上个世纪末开始，就有来自全世界的中学生加入宇宙线观测的团队，近两年来，这个团队中也出现了中国学生的身影，他们来自北京市东直门中学。
在全球科学家面前宣读实验报告
2016年11月30日，对北京市东直门中学的学生们来说是个特别的日子。因为他们通过网络参加了国际宇宙日的视频会议，并在会上宣读了自己的实验报告。这已经是他们第二次参加该系列活动了。
这一会议的目的，是让全世界的学生团组用一天时间，在科学家的指导下，学习宇宙线基本知识，交流各学校宇宙线探测器的运行情况和近一年中所取得的实验结果。
在2016年的国际宇宙线日活动中，东直门中学的同学们提供了广延大气簇射实验数据，2017年，他们又提供了μ子实验结果。
这些学生之所以能参与到这项活动中，是因为东直门中学在中国科学院高能物理研究所科学家的指导下，建成并运行着中国第一台中学校园宇宙线观测站。这一观测站就放置在学校教学楼的楼顶上，由9个闪烁探测器、前端电子学、信号数字化电路、光电转换、GPS时钟、信号光缆、微机实时在线控制和数据采集系统等构成。
4年前，学生们第一次认识了中科院高能物理所的科学家，并在他们的帮助下学习制作了伽马辐射检测仪和检测仪。同学们在实验中动手测试探测器和元器件，了解电子学线路、焊接电路、设计电源、学习绘图，甚至还尝试设计外装盒子、打孔、刷油漆。整个流程下来，学生们长了不少知识，也练会了不少本领。
这一科学进校园活动彻底激起了大家对科学研究的兴趣，于是，他们将视线转向了宇宙线物理。对于宇宙线观测站，学生们从对实验装置的好奇到亲自动手组装，了解实验的全过程，再到参加宇宙日的活动，用英文宣读论文。
这一系列过程不仅开阔了他们的视野，提高了动手能力，更重要的是提升了他们对参与科学研究的自信心。正是有了这些基本技能的积累，有的学生在进入大学校园后的第一年就动手设计制作了机器人。
观测阵列因学校而扩大
让科学家和学校联合起来，把宇宙线实验装置放到校园中去，是上世纪末加拿大人提出的一项创意。
长期以来，科学家们对宇宙线广延大气簇射进行了大量的研究。为了能够全天空探测1017eV至1021eV的极端高能宇宙线，地面上的实验阵列也越做越大。
目前世界上最大的实验装置坐落在南美的阿根廷，它于2008年建成，占地面积有3000平方公里，参与项目研究的科学家有好几百人，分别来自17个国家的70多家研究机构。现在，科学家正在北半球美国的南科罗拉多州建造另一个大型宇宙线观测站，它的占地面积更是达到创纪录的2万平方公里。
即便如此，科学家们仍然面临一个问题：怎样才能得到更大面积的观测阵列？
加拿大人的计划是，让科学家进校园，对有兴趣的同学普及宇宙线物理知识，并开展实验技能培训，继而让学生们参与实验的组装和常规运行，并进行数据的提取和分析。
1998年，加拿大艾伯塔的ALTA实验率先投入运行。到了2016年，加拿大已经在3个城市的17个学校建立了宇宙线实验站。
如今，这类实验在欧美多国大量开展起来，尤其是在美国，已经有百余个学校实验站，其中加州洛杉矶地区就有88个之多。在欧洲地区，荷兰、芬兰、瑞典、捷克、波兰、比利时、意大利、英国、法国、葡萄牙、德国等十几个国家先后建造了或正在建造学校宇宙线大气簇射阵列。
近年来，亚洲国家和地区也加入到了这一实验行列。在上一届国际宇宙线日活动中，除中国大陆团队，还有中国台湾地区、马来西亚和印度的中学生团队。根据活动组织者刊发的会报，中国大陆团队是亚洲唯一提供了实验结果的团队。
据不完全统计，目前，全球共有此类校园实验站230个，在建中的约有350个。开展的实验绝大多数采用闪烁探测器，少数采用了高阻板或微波天线；配以电子学仪器，用微机实现自动控制、运行监测和数据采集；使用全球定位系统（GPS）天线，提供绝对的时间基准。探测器一般固定在学校建筑物的房顶上，由学校负责运行和维护。各学校实验站获得的数据，汇总到一起进行离线分析，得出物理结果。
为孩子们打开科学新天地
宇宙线实验站进校园之所以越来越受到重视，是因为科学家们认为，从研究角度，遍布全球的校园宇宙线阵列覆盖面积大，有利于在世界范围内探测和记录极端高能宇宙线和由极端高能宇宙线粒子产生的簇射。
在美国，IBM捐赠了数量可观的计算机用于各学校探测器的数据收集，大型物理实验室则提供了探测器必需的重要部件，美国能源部国家科学基金会提供了一些项目的连续运行经费，并建立了全球中学生宇宙线网e-Lab来进行国际合作、共享实验数据和研究成果。
一段时期以来，美国中学生的数学和物理学成绩差强人意，大学里在读的数学和物理学专业博士研究生多为亚洲孩子。但在大量校园宇宙线实验站建立以来，这一情况有所改观。美国的一项调查统计显示，学生们对物理学的兴趣有所提高，报考大学物理专业的人数也在增多。
同样，在国内，国家也加大了对中小学生科技教育的经费支持。东直门中学宇宙线实验装置的建造正是得益于国家的这项政策。
中国地域广阔，地形复杂，海拔高度从1米到4500米都有学校，学生人口众多，这是国内开展宇宙线研究得天独厚的条件。因此，如果能对学校宇宙线实验给予更大的关注与支持，率先在北京、上海等教育资源丰富的城市建立中学和大学宇宙线实验站网络，进而组成一个全国性的阵列，就可能获得更多更好的实验成果，同时，也能给孩子们的未来打开一片新的天地，在他们之中可能出现更多的物理学爱好者，甚至是真正的科学家。
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