作者:许琦敏 来源:文汇报 发布时间:2023/5/11 9:00:12
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向高能宇宙线起源问题发起冲击,展现中国高水平科技自立自强的决心与能力
拉索:在人类未来宇宙观中留下中国篇章

 

四川稻城,海拔4410米的海子山上,方圆1.36平方千米的高海拔宇宙线观测站“拉索”(LHAASO)正在敏锐捕捉从宇宙“洒”向地球的带电粒子,从中发现宇宙深处的未知世界。昨晚,这一国家重大科技基础设施顺利通过国家验收。

从2015年立项,到2021年完成建设,“拉索”一边建设一边观测,已为人类打开了一扇观测宇宙的全新窗口。未来十几年,它将助力中国粒子天体物理研究走向世界最前沿,向当今最重要的科学前沿课题——高能宇宙线起源问题发起冲击。

挺进宇宙探测“无人区”,挑战科学家的勇气、智慧与毅力;高海拔施工,更带来难以想象的困难。“拉索”的崛起,展现出中国高水平科技自立自强的决心与能力。它在建设与运行中凝聚起的“挑战极限”的海子山精神,也将成为我国建制化基础研究的一个典范。

敢想:在世界屋脊建最灵敏的宇宙线大装置

“在人类未来的宇宙观中,我们一定要留下中国人书写的篇章。”“拉索”首席科学家、中科院高能所研究员曹臻是我国宇宙线研究发展的见证者、参与者,更是目前的引领者。

为寻找宇宙线的起源,早在新中国成立之初,王淦昌、何泽慧等老一辈科学家就在云南昆明东川一座3200米的山峰上,建起了中国第一个宇宙线实验室——落雪站。上世纪90年代,谭有恒等人在西藏建立我国第一代伽马天文学探测基地——羊八井宇宙线国际观测站。

曹臻曾跟随导师谭有恒在羊八井值守多年,见证了中国宇宙线研究一步步走到国际前沿,逐渐开始思考“如何才能走到国际领先?”

历数目前人类对宇宙构成的认知中,几乎没有一个重要观点是由中国科学家贡献的。“五千年泱泱中华文明,不应该在人类的宇宙观中毫无话语权。”一幅宏伟的宇宙线研究蓝图,开始在曹臻心中勾画:只有做出一流研究成果,引领国际宇宙线领域的发展,才可能在人类未来宇宙观的构成中拥有话语权。

立足百年未有之大变局,科学研究范式正在发生深刻变革。在最前沿的物理学领域,“得大装置者得天下”已成大势所趋。无论是“上帝粒子”还是引力波的发现,都得益于大科学装置性能的提升。

2010年左右,世界各国纷纷提出下一代伽马天文观测大科学装置计划。经过多年酝酿,曹臻提出了利用世界屋脊的地理优势,建立世界上灵敏度最高的高海拔宇宙线观测站的设想——灵敏度比当时最好的宇宙线装置高出30倍!

“这个设想对粒子物理、天文学、宇宙学等诸多学科来说,都极具引领性。”中科院高能所副所长董宇辉认为,当自由探索发展到一定阶段,建制化基础研究一定会出现。只有提出重大科学问题,形成“使命驱动”,才能将多个团队联合在一起,共同克服困难,最终求解答案。

建成后的“拉索”,其国际领先地位已无可置疑:它是世界上最灵敏的超高能伽马射线探测装置、灵敏度最高的甚高能伽马射线源巡天普查望远镜、能量覆盖范围最宽的超高能宇宙线复合式立体测量系统。

基于其超高的探测灵敏度,“拉索”在初步运行期间就已经取得了一系列突破性的重大发现:在银河系内发现大量超高能宇宙加速器候选天体,并记录到人类观测到的最高能量光子;精确测定标准烛光蟹状星云的超高能段亮度,发现1千万亿电子伏特伽马辐射,挑战理论极限……如今,国际粒子天体物理界形成了一股“拉索效应”:询问“拉索”的最新发现,已成为该领域科学家“每会必谈”的热门话题。

曹臻透露,不久之后,“拉索”还将公布一项重要发现,可能会改变人类目前对部分天体现象的理解,“我们的发现已经开创了超高能伽马天文学,未来还将以更大的全新发现,将中国人的贡献写入人类未来的宇宙观”。

敢做:靠自己的力量建成“拉索”,唯有中国

由于宇宙微波背景辐射会吸收高能粒子,对于1PeV(拍电子伏特,P即10的15次方)以上的超高能粒子,宇宙就不再是“透明”的。再加上大气的吸收,这些粒子落在地球上的概率,在每平方米土地上可能一年才有一次。

当超高能粒子撞入大气时,就会“一变二、二变四、四变八”地激发一系列低能的次级粒子,这被称为“级联簇射”。通过探测这些次级粒子,科学家可以反推出那颗超高能粒子的方向和能量。“拉索”就是为此而造。

从空中俯瞰群山间的“拉索”,5216个电磁粒子探测器和1188个缪子探测器构成一平方公里地面簇射粒子探测器阵列、7.8万平方米的水切伦科夫探测器阵列、18台广角大气切伦科夫望远镜。它犹如一幅人类问天的图腾,表达着人类窥探宇宙的好奇。

占地1.36平方千米,建在超过4000米的高海拔地区,还要将装置灵敏度提升30倍,工程难度可想而知。而“拉索”实现了几乎百分之百的国产化。

“是中国国内完备的工业体系给了科学家挑战不可能的信心和勇气。”董宇辉不无自豪地说,“放眼全球,能完全依靠自己的力量建成‘拉索’这样的大科学装置的,唯有中国。”

且不论仪器设备的尖端突破,“拉索”单凭水电配套、时间同步,就创下了“世界第一”。

或许没人会想到,“拉索”的纯净水水体冠绝世界。7.8万平方米的水切伦科夫探测器阵列完全浸泡在水深达4.5米,相当于两个“水立方”(国家游泳中心)大小的水池中。如此巨大的纯净水体,对建筑提出了极其苛刻的要求。

“刚接手时,以为只是造台拖拉机,后来发现性能要求堪比跑车。”项目建安分总体主任冯少辉以此比方,来形容中国电建集团成都勘测设计研究院接下大水池工程之后的感受。

由于粒子发出的切伦科夫光极其微弱,因此整个水体建筑必须绝对防光;为确保水底的探测设备正常工作,在冬季冷到-35℃的海子山上,水池里的水体不能结冰,且昼夜温差不得超过0.05℃;总水量每天的变化率要控制在0.03%以内。

“最后,这个投资仅1.6亿元的项目,获得了四川省建设工程天府杯的金奖。”冯少辉说,让评委投出全票的理由只有一条——技术含金量实在是高。

时间同步精度,这是在海子山上挑战的又一个极限。“拉索”的时间分配系统实现了世界上最高水平的同步精度,达到亚纳秒级别。

当一个超高能粒子引发的级联簇射到达地面,粒子先后时差以十几纳秒计。通常,时间同步靠光子在光纤中“奔走相告”。可到了纳秒级,哪怕细微的温度扰动、距离差异,都可能导致时间同步出现误差。

为此,清华大学团队与高能所联手,通过巧妙的技术改进,使近万个探测器节点之间的时间偏差小于0.3纳秒。而且,整个系统可以不受光纤长度和温度变化影响,自动校正并补偿线路延迟,还非常适应野外工作环境。这套系统被科学家昵称为“小白兔”。

光电倍增管的突破,也是“拉索”的骄傲。“拉索”研制出了新一代硅光电倍增管相机,突破了传统设备无法在月夜进行观测的局限,使18台广角大气切伦科夫望远镜的观测时间得到成倍提高。

过去,20英寸光电倍增管的技术被国外垄断。这次,“拉索”团队携手国内高科技企业,成功制造出高时间性能的同类产品,而且良品率非常高——生产了2200多个,次品仅55个。这些次品被设计成了一面装饰墙,陈列在位于稻城镇上的“拉索”科普展示馆中。这一突破,不仅迫使国外企业大幅降价,甚至还让他们上门来求购。

敢拼:“给钱也不干”的工地上,科研人员“零淘汰”

构成海子山精神的,不仅有科学家、工程师的迎难而上、挑战极限,还有普通工人的爱岗敬业与无私奉献。

2017年,“拉索”基建开工时,遇到了“招工难”。地处高海拔、无人区,面对高寒、缺氧、手机信号不佳等恶劣条件,很多前来找活儿的工人刚一下车,看到条件这么艰苦,第二天就走了,只撂下一句“给钱也不干”。

据不完全统计,“拉索”基建工地上的工人淘汰率超过50%。然而,最终在工地上留下来的工人都非常吃苦耐劳,最高峰时约有600多人,这令前来参观的欧洲同行吃惊。工人们的敬业与刻苦,也让科研人员深深感动。

身处海拔4410多米的高原,普通人哪怕多说会儿话,都感觉气喘费力,更何况工人承担着基建工地上的重体力活儿。在缪子探测器建设中,有位来自东北的小伙子。刚来时白白净净的他,每天在工地上风吹日晒,半年后就变得皮肤黝黑、胡子拉碴,身上的衣服也满是油污,外貌与之前几乎判若两人。

稻城每年10月就开始霜冻,因此只有半年时间适合施工。得知工程经费吃紧时,工人们主动告诉工程经理“先拿我们的工钱去买材料”。“拉索”工程项目副总经理、总工艺师何会海回忆,当时所有管理层都深受感动,表示“工钱会尽快补上,不会欠大家一分钱”。

值得一提的是,在如此艰苦的环境下,科研人员的淘汰率为零。这得益于中科院成都分院开创的“稻城观测+成都研究”模式。中科院成都分院副院长陈锋介绍,海子山的观测站条件艰苦,他们通过协调地方政府,一方面在稻城镇上建起测控基地,并辅以生活设施,一方面在成都设立成都天府宇宙线研究中心,方便引才的同时,为宇宙学、粒子物理、空间环境等交叉研究提供综合平台。

在曹臻看来,“拉索”通过验收又是一个起点。未来,他们还将围绕高能宇宙射线源开展更多研究。比如,建造灵敏度更高的观测设备,努力“看清”射线源内部构造,结合中微子探测确定射线源的更多性质。科学家们将在不断挑战极限中,揭示更多宇宙奥秘。

 
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