【中青报客户端】高原上的宇宙守望者
时间 : 2023-05-15     
 放眼望去,那像是1188座土岗子,奇异地出现在四川稻城平均海拔4410米的海子山上。

  但那又不像是一般的土岗子。它们的体格过于庞大,每一个都足足占地36平方米。它们周身荒草杂生,两两之间却均匀地保持着30米间距,以品字形有规律地散布在1.36平方公里的高原上。它们身上都有一抹红——扎着“红头绳”,上面统一写着6个大写字母——LHAASO。

  LHAASO,是“高海拔宇宙线观测站”的英文简称,又称“拉索”。从2009年提出建设构想,到2015年定址海子山,再到今年前后共历经15年,总投资12亿元。

  如今,这个由中国科学院与四川省人民政府共建,由中国科学院成都分院与中国科学院高能物理研究所承建的国之重器,已成为全球最大、灵敏度最高的宇宙线观测站。5月10日,LHAASO顺利通过国家验收,正式“上岗”了。

   

    LHAASO航拍图,摄于2022年。中科院高能所供图

   

    4月22日,四川稻城,LHAASO的缪子探测器。中青报·中青网记者 李强/摄

  “天外来客”

  若从高空俯瞰,观测站外圆内方,宛若一枚形似古铜钱的巨阵,守在青藏高原海子山古冰川遗迹的无人区。

  这枚直径1.3公里“铜钱”的环形区域,点缀着1188个土岗样式的缪子探测器(缪子是自然界的基本粒子之一,记者注),和5216个大型鞋盒一般的电磁粒子探测器。两组探测器组成地面簇射粒子阵列。

  除此之外,在“铜钱”的中央,坐落着7.8万平方米的水切伦科夫探测器阵列和由18台广角切伦科夫望远镜组成的阵列。

  这些普通人连名字都很难看懂,更难弄明白它们究竟为何物的探测器,就这样排兵布阵般组合在一起,悄无声息地捕捉着宇宙线,并持续产出着惊人的科研成果。

  宇宙线,是从宇宙空间射向地球的高能粒子,肉眼并不可见,穿过大气层时会被打散成更多的粒子,如阵雨般落下。打在那些星罗棋布的探测器上时,会发出微弱的光,从而被捕获、收集并观测。它们常被称为银河陨石、天外来客,携带着有关宇宙起源、天体演化等的重要科学信息。

  在中国科学院高能物理研究所研究员、LHAASO项目首席科学家曹臻的眼里,它们是来自宇宙的“信使”,而研究宇宙线及其起源是人类探测宇宙的重要途径。

  宇宙线有着不同的起源,有的起源于银河系内,有的来自银河系外,不同的能量反映着不同的起源,能量越高的宇宙线,就需要越大的探测器阵列面积和更长久的探测时间。

  当宇宙线的能量在1011eV(电子伏特的符号,是能量的单位,记者注)附近,探测器阵列每秒每平方米大约能接收到1个粒子,到了3×1018eV附近,需要每年每平方公里才能接收到1个粒子。

  自1912年宇宙线被奥地利科学家赫斯首次发现以来,国际上与宇宙线相关的研究,已5次斩获诺贝尔奖。尽管如此,人类对宇宙线仍知之甚少。宇宙线到底从何而来,又是怎样的加速机制把它加速到比人类制造的加速器高上千万倍的量级?很多问题,都还没有答案。

   

    4月22日,四川稻城,一位年轻的科研人员正在查看水切伦科夫探测器阵列的实时运行状态。中青报·中青网记者 李强/摄

   

    LHAASO装置WCDA三号水池内安装完成的光电倍增管。中科院高能所供图

  “六年找一块地”

  然而,想要探寻宇宙线的源头,困难重重。自2009年提出LHAASO建设构想后,仅为找到一个合适的观测站位置,就花费了6年。

  “世界上其实能够找到这样一块地方并不容易的。”LHAASO项目副经理兼总工艺师何会海告诉中青报·中青网记者,当年项目选址要求,海拔高度最好在4千米至5千米之间,这样能减少大气对宇宙线粒子的影响。

  在高海拔的基础上,还要有一块足够大的平坦地块儿,有便利的水源,附近要有交通,光纤可以抵达,方圆50公里之内要有机场,有高压氧舱等医疗条件。

  “我们在四省五地花了六年才找到这样一块地。”何会海说,那6年,云南、四川、青海、西藏4省的5处高海拔地块儿,他一一实地踏勘,一地也没落下。最终,海子山被认为是天时地利人和的建站绝佳之地。

  最初达到海子山时,让曹臻印象深刻的是,这里的3000余平方公里的土地上,遍布着1100多个海子(当地对湖泊的称呼),海子山的名字正来源于此。

  “要做好这个设施,一个非常重要的特点就是,我们要大量地用水。”曹臻说,拉索的缪子探测器用水量为5万吨,水切伦科夫探测器用水量达到36万吨,且需要不断循环。

  那1188个土岗里埋藏着的,正是水,但并非一般的水,而是装在特制水袋里的超纯水,并被埋在直径6.8米、高1.2米的钢筋混凝土罐体里,而后用土覆裹其外。

  “这个超纯水比我们喝的水要好太多太多,要在20年的时间里保证这个水不变质、不长菌、不透气、不漏、不冻冰。”何会海说,水袋埋在地下2.5米深的地方,要想在常年平均气温零度以下的地方保证它不上冻,也是一件比较难的事。

  定址后,在高海拔无人区的施工建设又花了4年。

  “工人来了以后,面临两个很大的困难。第一个就是缺氧,第二个是没有信号。”LHAASO项目建安分总体负责人吴超勇说,“所以很多人来了以后,待了一个晚上,第二天就要走,(高原反应)受不了了,给多少钱也不干。”

  “工人淘汰率到了50%以上。”吴超勇告诉记者,但他们必须保证工期,建筑队不断补充人手,整个观测站上,最多时曾有600名工人。与此同时,由于自然条件恶劣,每年这里的工期只有半年,半年时间里往往要完成一年的工作量。

  吴超勇至今还记得,在缪子探测器建设过程中,他遇到过一位让他感动的东北小伙儿。小伙儿告诉他,他在这里待得很难受,但他觉得自己是在给国家做事情,他很自豪。等到小伙子离开海子山时,衣服满是油渍,胡子拉碴,跟来时看上去差了许多岁数,“看不出是同一个人了”。

  曹臻记得,当初施工建设时,一个工头非要拉着他拍一张照片。“他说,这张照片是要发给他儿子的。‘我儿子非常地感兴趣,说是你们在为科学家干事情。’”曹臻说。

  那时,在海子山上,科研人员时常和这些建筑工人同时灰头土脸地出现在工地上。而曹臻引以为傲的是,在如此恶劣的自然条件下,“科研人员淘汰率为零”。那段时间,曹臻也总守在工地上,他记得,有时夜晚温度会降到零下35℃,而工程还在继续。

  观测站的路边,如今立着一块红牌子,上面写着曹臻常说的一句话:“无论有多大困难,都要去克服,再困难还要去克服。克服就是要去做这个做不了的事情。”

   

    4月22日,四川稻城,高海拔宇宙线观测站观景台。中青报·中青网记者 李强/摄

  “宇宙无限 信使有痕”

  来自中科院高能所的资料显示,建设期间,LHAASO项目团队通过自主创新和国际合作,完成了多项关键核心技术攻关,首次在大视场成像切伦科夫望远镜中大规模使用新型硅光电管,改变了这类望远镜不能在月夜工作的传统观测模式,实现了有效观测时间的成倍增长。

  团队还发展了基于“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;还采用了国产20英寸超大型光电倍增管,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。

  为了更充分地利用观测资源,拉索项目是一边建设一边运行的。起初,只有二分之一的探测器投入试运行。尽管只有二分之一,由于其超高的探测灵敏度,LHAASO在试运行期间就取得多项突破性的重大科学成果。

  “当一个探测器的灵敏度上到一个新的台阶之后,你会看到完全不同的一个宇宙。”曹臻告诉中青报·中青网记者,“新现象完全是可期的,但是它会是什么样子,是完全不可期的,这个就是我们做科学探索的乐趣所在。”

  2021年,LHAASO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。这被认为是目前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。这些发现于当年5月17日发表在《自然》(Nature)上。

  “我们看到了很多原本意想不到的东西。”曹臻告诉记者,“尤其是这个能量很高很高的加速器,可能到处都在我们的宇宙、银河系的存在。”

   

    观测站上方的星空。中科院高能所供图

  同年,LHAASO还精确测定了标准烛光蟹状星云的超高能段亮度,发现1000万亿电子伏伽马辐射,挑战了理论极限。

  “到2022年10月份,老天爷给了我们一个巨大的礼物。”曹臻说,拉索观测并记录到了迄今最亮的伽马射线暴,而这件事,甚至让欧洲做相关研究的科学家很嫉妒,拉索也已经成为该领域其他国家追赶的目标。

  在曹臻看来,所有这些事并非是靠一两个人就能做成的,需要来自各行各业,有着不同知识背景的科研人员组成的大团队合作攻克。目前,LHAASO团队由来自中国、德国、法国、俄罗斯、瑞士、泰国6个国家的270余人组成,也已有28个天体物理研究机构成为LHAASO的国际合作组成员单位,利用观测数据开展多领域基础研究。

  如今,在世界屋脊上圆满落成的LHAASO项目,已成为世界重要的粒子天体物理支柱性实验之一,使我国在高能伽马射线天文领域的研究达到国际领先水平,并开始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。

  5月10日,受国家发展和改革委员会委托,中国科学院会同四川省组织了LHAASO项目验收会。验收委员会认为,LHAASO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。验收委员会同意该项目通过国家验收。

  目前,这个我国自主提出、设计、建造的新一代宇宙线观测装置,站在新起点整装待发,更多的科研成果也在发酵之中。

  千百年来,人类对浩瀚宇宙的探索从未停止,从肉眼观测到使用天文望远镜,从伽利略到开普勒,从地心说到相对论,从银河系到百亿光年之外的宇宙深处。随着探索的深入,人类对宇宙的认识也在不断更新。

  如今,LHAASO项目基地大门两侧的立柱上,写着这样8个大字——“宇宙无限 信使有痕”。大门内,三大探测器阵列错落有致,24小时严阵以待,像是一张编织好的巨网,铺设在四野荒凉、遍布漂砾的海子山上,等待捕捉宇宙“信使”在探测器上留下的痕迹。

引自中青报客户端2023.5.11版 原地址:https://s.cyol.com/articles/2023-05/11/content_gGNQ9pfz.html?gid=2V1Qqd1E