約20 億年前，在遙遠(yuǎn)的宇宙深處，一顆20 倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星走到了生命盡頭，以一種極為壯烈的方式——超新星爆發(fā)，向宇宙宣告了它的終結(jié)。2022 年10 月9 日，這次爆發(fā)所迸發(fā)的伽馬射線暴抵達(dá)地球，在夜空中留下了耀眼的印記。

千年難遇

這次伽馬射線暴有多罕見？答案是千年難遇。

沒看清楚

全世界多個(gè)觀測(cè)站捕捉到了這個(gè)大事件，然而，過(guò)高的光子流量讓許多國(guó)家的探測(cè)器都出現(xiàn)飽和效應(yīng)，造成了儀器的短暫失靈或數(shù)據(jù)堆積，大量細(xì)節(jié)沒有得到有效的觀測(cè)和記錄。

轉(zhuǎn)到了背面

在這次爆發(fā)期間，歐洲科學(xué)團(tuán)隊(duì)建造的專門用于探測(cè)宇宙線的MAGIC 大氣切倫科夫望遠(yuǎn)鏡，剛好背對(duì)伽馬射線暴來(lái)的方向，痛失觀測(cè)良機(jī)。

白云翔博士

中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所高級(jí)工程師，天府宇宙線研究中心常務(wù)副主任。參加中國(guó)首臺(tái)高能宇宙線τ 中微子望遠(yuǎn)鏡研制，參加“十二五”國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施高海拔宇宙線觀測(cè)站工程、“十三五”科教基礎(chǔ)設(shè)施宇宙線物理與探測(cè)技術(shù)平臺(tái)建設(shè)。長(zhǎng)期從事高能物理實(shí)驗(yàn)研究和大科學(xué)創(chuàng)新戰(zhàn)略研究。

最佳觀測(cè)

位于中國(guó)四川省稻城縣海子山的高海拔宇宙線觀測(cè)站——“拉索”（LHAASO），不僅全程記錄了這場(chǎng)持續(xù)數(shù)百秒的“宇宙煙花秀”，并且它的多個(gè)探測(cè)器陣列準(zhǔn)確捕捉了高能伽馬光子的豐富信息?？紤]到這次伽馬射線暴如此罕見，科學(xué)界認(rèn)為：“拉索”的觀測(cè)成果將是未來(lái)數(shù)十年甚至上百年內(nèi)最佳的。

來(lái)自宇宙的\" 粒子陣雨\"

宇宙線中的高能粒子以光速或接近光速的速度穿越宇宙，其中一些穿過(guò)地球大氣層。

與空曠的太空相比，地球大氣里的物質(zhì)密度高太多了，空氣中的原子核很容易被宇宙線中的高能粒子撞擊，從而產(chǎn)生大量次級(jí)粒子。

這樣的過(guò)程不斷重復(fù)，次級(jí)粒子的數(shù)量變得越來(lái)越多，仿佛在天空降下一片“粒子陣雨”。

在這些“粒子陣雨”中，我們可以找到包括強(qiáng)子、電子、光子以及μ 子在內(nèi)的各種粒子。每一秒，都有數(shù)百個(gè)甚至上千個(gè)μ 子穿透你的身體，但不會(huì)對(duì)你造成任何影響。通過(guò)探測(cè)這些次級(jí)粒子，我們就能反推宇宙線的初始信息和源頭。

宇宙線就像宇宙中穿行的“信使”，為我們捎來(lái)遙遠(yuǎn)宇宙的物質(zhì)和信息。

宇宙線是如何被發(fā)現(xiàn)的？

1912 年，奧地利物理學(xué)家維克多·弗朗西斯·赫斯帶著三臺(tái)靜電計(jì)，乘坐熱氣球上升至5350 米的高空進(jìn)行測(cè)量。他發(fā)現(xiàn)高空中的空氣電離率是地面的四倍，這表明有一種高穿透力的射線從上部進(jìn)入大氣層。

在1913 年到1914 年間，德國(guó)物理學(xué)家柯爾霍斯特重復(fù)了赫斯的實(shí)驗(yàn)，他的氣球更是上升到了驚人的9000 米高度。他和赫斯的實(shí)驗(yàn)被人們視為宇宙線發(fā)現(xiàn)的里程碑，從此以后，高海拔和空間實(shí)驗(yàn)與宇宙線研究結(jié)下了不解之緣。

威爾遜云室

人們可以通過(guò)一個(gè)由玻璃罐、毛氈、干冰和過(guò)飽和的醇類制成的云室來(lái)觀察宇宙線。當(dāng)μ 子穿過(guò)云室，會(huì)在經(jīng)過(guò)的路徑產(chǎn)生離子（通過(guò)電離作用），過(guò)飽和蒸氣以離子為核心凝結(jié)成小液滴，從而顯示出μ子的移動(dòng)路徑。

宇宙線——天然粒子物理實(shí)驗(yàn)室

赫斯的發(fā)現(xiàn)開啟了一個(gè)新的時(shí)代——通過(guò)研究宇宙線，大量基本粒子被發(fā)現(xiàn)。

1932 年，安德森從宇宙線中發(fā)現(xiàn)了正電子，這使我們對(duì)正反物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)更進(jìn)一步。

1937 年，安德森和尼德邁爾利用云室在宇宙線中發(fā)現(xiàn)了μ 子。

1947 年，鮑威爾在高空核乳膠中發(fā)現(xiàn)了湯川秀樹在1934 年預(yù)言的能傳遞強(qiáng)相互作用的π 介子。

類似的重大發(fā)現(xiàn)還有許多。這一連串的發(fā)現(xiàn)，都是在探索宇宙線的道路上取得的重大成就。

宇宙線是研究宇宙的“一手資料”

今天，我們更關(guān)注宇宙線本身，因?yàn)樗鼈冋宫F(xiàn)的是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、充滿活力的宇宙，其中涉及的能量超級(jí)高。就拿最強(qiáng)大的宇宙線粒子來(lái)說(shuō)，它的能量是歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)產(chǎn)生的高能質(zhì)子能量的一千萬(wàn)倍，這讓我們好奇：怎樣的“宇宙加速器”，才能把粒子加速到如此高的能量？要回答這個(gè)問題，第一步就是從錯(cuò)綜復(fù)雜的爆發(fā)天體中確定哪些才是宇宙線的加速源，這正是“拉索”的核心科學(xué)目標(biāo)。

要建設(shè)我國(guó)自主的宇宙線觀測(cè)站

早在20 世紀(jì)50 年代，我國(guó)就開始了對(duì)宇宙線的研究。但受制于制造能力和經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)，我國(guó)在很長(zhǎng)一段時(shí)間里無(wú)法自主建設(shè)大規(guī)模、高水準(zhǔn)的宇宙線觀測(cè)站。20 世紀(jì)80 年代建成的羊八井國(guó)際宇宙線觀測(cè)站，無(wú)論是探測(cè)器設(shè)計(jì)和建造，還是論文撰寫和發(fā)表，都無(wú)法實(shí)現(xiàn)中方主導(dǎo)。缺少自主的大規(guī)模、高水準(zhǔn)宇宙線觀測(cè)站，導(dǎo)致我國(guó)的宇宙線研究在長(zhǎng)時(shí)間里只能扮演“跟跑”的角色，這讓我國(guó)的科研人員心里憋著一股勁。

宇宙考古

四川省稻城縣海子山這個(gè)曾經(jīng)人跡罕至的地方，如今已成為科學(xué)家追尋宇宙線奧秘的重要場(chǎng)所。在這里，“拉索”以其獨(dú)特的地理優(yōu)勢(shì)和先進(jìn)的科研設(shè)施，不斷捕捉著來(lái)自宇宙深處的微弱信號(hào)，為我們逐步揭開宇宙線的神秘面紗。

曹臻院士自2013 年起擔(dān)任“拉索”項(xiàng)目的首席科學(xué)家。他不僅是該項(xiàng)目的提出者，也是工程建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)者。用曹臻院士的話來(lái)說(shuō)，“拉索”要做的就是“去考宇宙的古”。

獨(dú)特的選址

越高的地方，越有利于探測(cè)宇宙線。進(jìn)入大氣層的高能宇宙線非常容易和空氣中的原子核發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生次級(jí)粒子，引發(fā)簇射級(jí)聯(lián)現(xiàn)象；不同能量，不同種類的粒子，級(jí)聯(lián)的形態(tài)也各有不同。

有人說(shuō)，觀測(cè)站越高越好。那為什么不在太空直接觀測(cè)宇宙線？實(shí)際上，我們的確是雙管齊下，在太空、地面同時(shí)觀測(cè)宇宙線。但太空觀測(cè)設(shè)備就像一個(gè)個(gè)小臉盆，而超高能量的宇宙線又極其稀少，幾乎“接”不住幾個(gè)。因此，只有在地面才有可能布置面積更大的探測(cè)器陣列，接收到更多的宇宙線事例。觀測(cè)站所處的高度跟我們要探測(cè)的粒子能量也有直接關(guān)系。

規(guī)模要大

除了位置高，規(guī)模大是“拉索”相比其他宇宙線觀測(cè)裝置的另一大優(yōu)勢(shì)。宇宙線進(jìn)入地球大氣層后會(huì)產(chǎn)生大量的次級(jí)粒子，像一場(chǎng)陣雨降落在地面，原初粒子能量越高，陣雨覆蓋面積就越大，這就要求“拉索”必須具備較大的探測(cè)面積來(lái)收集這些次級(jí)粒子。探測(cè)器規(guī)模大也有利于科研人員在短時(shí)間內(nèi)收集到更多的宇宙線事例，因此，“拉索”的巨大規(guī)模就顯得尤為重要。

“拉索”的探測(cè)器覆蓋面積約為1.36 平方千米，相當(dāng)于兩個(gè)故宮的面積。此外，“拉索”還結(jié)合了多種探測(cè)手段。

為何選中稻城海子山？

在青藏高原的懷抱中，海子山以其壯觀的古冰體遺跡和豐富的冰蝕地貌著稱，山上散布著一千多個(gè)寧?kù)o的海子（高山湖泊），冰川巨石遍布其間。海子山空氣稀薄，氣候嚴(yán)酷，每年十月份開始，這里的氣溫就徘徊在冰點(diǎn)左右。為什么“拉索”選址會(huì)定在自然條件如此嚴(yán)酷的山頭上？

為了選址，“拉索”團(tuán)隊(duì)耗時(shí)5 年，跑遍西藏自治區(qū)、青海、云南、四川等地，才最終確定了位于四川省稻城縣的海子山。那里的綜合條件是所有候選站址中最優(yōu)秀的。

除了前文提到的科學(xué)觀測(cè)上的優(yōu)勢(shì)，還有工程實(shí)施以及科學(xué)運(yùn)行上的長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮。海子山交通條件便捷，離國(guó)道僅數(shù)百米，距離稻城亞丁機(jī)場(chǎng)也不過(guò)十余千米，大大方便了人員與物資的運(yùn)輸。光纖網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施確保了海量數(shù)據(jù)的即時(shí)收集與傳遞。海子山山頂?shù)貏?shì)平緩，最大高低差僅有三十米，有利于探測(cè)器陣列的精準(zhǔn)布局與安裝，保證觀測(cè)的統(tǒng)一性和準(zhǔn)確性。此外，這里的水資源也很充沛，是探測(cè)器建造所需的重要介質(zhì)。

四大優(yōu)勢(shì)

相比其他宇宙線觀測(cè)裝置，“拉索”具有四大優(yōu)勢(shì)：

大視場(chǎng)：“拉索”就像一個(gè)超級(jí)大的望遠(yuǎn)鏡，它可以同時(shí)看到很大一片天空，這樣就能捕捉到更多的宇宙線事件。

全天候：不管白天還是晚上，也不管天氣好壞，“拉索”都能持續(xù)工作，這樣就不會(huì)錯(cuò)過(guò)任何重要的宇宙線信號(hào)。

低閾能：“拉索”能觀測(cè)到能量很低的宇宙線，這意味著它能發(fā)現(xiàn)更多種類的宇宙線，包括那些能量不高但數(shù)量眾多的宇宙線。

高靈敏度：“拉索”的觀測(cè)能力非常強(qiáng)，能夠捕捉到非常微弱的宇宙線信號(hào)，就像一只超級(jí)敏感的耳朵，能聽到遠(yuǎn)處的微小聲音。

宇宙線探測(cè)，首選宇宙線中的電中性粒子

宇宙線中絕大多數(shù)屬于帶電粒子，它們會(huì)受磁場(chǎng)干擾，從而偏離最初的方向。因此，要想通過(guò)宇宙線確定它們的起源，最好的“信使”是高能伽馬光子和中微子這類不會(huì)受磁場(chǎng)干擾的電中性粒子。但問題是，這些中性粒子的數(shù)量非常稀少，需要探測(cè)器有很強(qiáng)的分辨能力，才能把光子從背景噪聲中挑出來(lái)。

除了電中性粒子之外，能量非常高的帶電粒子受磁場(chǎng)影響較小，也可以用來(lái)探究其源頭。

艱難的建設(shè)

在2015 年之前，海子山是連牦牛都罕至的靜謐之地。然而，隨著“拉索”這一偉大科學(xué)工程的啟動(dòng)，一切都發(fā)生了變化。來(lái)自四面八方的近百名科研人員、二十多個(gè)高等學(xué)府和研究院所的專家以及四十多家企業(yè)的工程師，紛紛投身于這場(chǎng)科學(xué)探索的征途。

參與“拉索”建設(shè)的人，首先要面對(duì)高原反應(yīng)。最初來(lái)的一批工人中，大約50% 因?yàn)楦咴磻?yīng)太劇烈離開了項(xiàng)目。留下來(lái)的人，克服了高原反應(yīng)、低溫和強(qiáng)烈紫外線，只用半年的時(shí)間就完成了一年的工程量。在“拉索”建設(shè)的高峰期，現(xiàn)場(chǎng)有約600 人。

“拉索”大科學(xué)裝置觀景臺(tái)下的一塊牌子上，寫著這樣一句話：“無(wú)論有多大的困難，都要去克服，再困難還要去克服?？朔褪且プ鲞@個(gè)做不了的事情?！?/p>

半年的高原高強(qiáng)度工作，使一位東北小伙的臉上留下了蒼老的痕跡。他卻說(shuō)：“在這里我待得非常難受，但是能給國(guó)家做事情，我非常自豪。”值得一提的是，在如此艱苦的環(huán)境下，來(lái)到“拉索”的科研人員沒有一個(gè)借口環(huán)境惡劣而離開。

無(wú)法預(yù)期的發(fā)現(xiàn)接踵而至

耗時(shí)7 年，中國(guó)人最終將“拉索”成功布置在海子山海拔4410 米處。起初，曾有外國(guó)專家質(zhì)疑“拉索”，但“拉索”人始終堅(jiān)信，性能卓越的“拉索”一旦“開眼”，宇宙的神奇永遠(yuǎn)超乎常人的想象。

“拉索”項(xiàng)目打破了等科學(xué)裝置建成后才啟動(dòng)的傳統(tǒng)科研方式，采用了一種創(chuàng)新的“邊建設(shè)邊運(yùn)行”模式。自從它矗立在這片高寒之地起，它就不斷地回饋給我們以驚喜，基于“拉索”的觀測(cè)結(jié)果，帶來(lái)了源源不斷的重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)和研究成果。

2020 年1 月，只完成一半建設(shè)進(jìn)度的“拉索”收集到了最高能量為1.4 拍電子伏特的伽馬光子，這個(gè)能量相當(dāng)于醫(yī)院X 射線能量的1000億倍，是迄今觀測(cè)到的能量最高的光子?；谶@個(gè)發(fā)現(xiàn)，“拉索”的科學(xué)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)銀河系內(nèi)普遍存在拍電子伏特加速器。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)被《自然》雜志評(píng)為“真正的突破”和“新時(shí)代的開始”。

在“拉索”項(xiàng)目完成國(guó)家驗(yàn)收前，我國(guó)科學(xué)家基于“拉索”數(shù)據(jù)發(fā)表的期刊論文數(shù)量已經(jīng)多達(dá)215 篇。在高能宇宙線探測(cè)領(lǐng)域的國(guó)際會(huì)議上，中國(guó)科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)和成果占據(jù)主流。在一次于西班牙召開的學(xué)術(shù)會(huì)議上，外國(guó)科學(xué)家對(duì)中國(guó)科學(xué)家抱怨說(shuō)：“這不公平，老天爺對(duì)你們太眷顧了。我們努力了20 年，什么也沒看到?！?/p>

對(duì)于這種言論，曹臻院士認(rèn)為，正是因?yàn)槲覀儞碛凶铎`敏的探測(cè)器，所以我們能夠取得最杰出的發(fā)現(xiàn)，而在這一切的背后，是無(wú)數(shù)人默默的付出。

如今，已有超過(guò)30 個(gè)國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)加入“拉索”的合作組中，共同開展研究。“拉索”已經(jīng)建成運(yùn)行，并取得了多項(xiàng)重大成果，但探索永無(wú)止境?！拔覀冇?jì)劃在‘拉索’上再建一個(gè)由32 臺(tái)望遠(yuǎn)鏡組成的陣列。這個(gè)陣列建好之后，‘拉索’相當(dāng)于又增加了一雙‘火眼金睛’，將具有超高能宇宙線發(fā)射位置的識(shí)別能力，進(jìn)一步逼近最終的答案?！辈苷樵菏空f(shuō)。

“拉索”再一次驗(yàn)證了相對(duì)論時(shí)空對(duì)稱的正確性

按照現(xiàn)有理論，如果洛倫茲對(duì)稱性在高能端破壞，高能光子會(huì)快速衰變?yōu)橐粚?duì)正負(fù)電子對(duì)或者衰變?yōu)? 個(gè)伽馬光子。換句話說(shuō)，高能量的光子在飛往地球的旅程中就自動(dòng)消失了！對(duì)于我們?cè)诘厍蛏系挠^測(cè)者來(lái)說(shuō)，即使天體源已經(jīng)發(fā)出了能量更高的光子，我們測(cè)量到這個(gè)天體的光子能譜也在這個(gè)特定的能量就忽然截?cái)嗔?。而根?jù)“拉索”的觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，目前的伽馬射線譜到拍電子伏以上都是一直向高能延續(xù)的，并沒有發(fā)現(xiàn)任何高能伽馬事例“神秘”消失的現(xiàn)象，表明洛倫茲對(duì)稱性在接近普朗克能標(biāo)下仍然是正確的。

“拉索”發(fā)現(xiàn)巨型“伽馬泡泡”，確認(rèn)首個(gè)超級(jí)宇宙線加速源

2024 年2 月26 日，我國(guó)科學(xué)家基于“拉索”的數(shù)據(jù)，取得驚人成果。在 “天鵝座”的恒星形成區(qū)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)巨型的超高能伽馬射線泡狀結(jié)構(gòu)。

這個(gè)泡狀結(jié)構(gòu)的中心距離地球約5000 光年，直徑約1000 光年。通過(guò)深入研究，在“伽馬泡泡”內(nèi)分布有多個(gè)能量超過(guò)1 千萬(wàn)億電子伏的光子，最高達(dá)到2 千萬(wàn)億電子伏。一般來(lái)說(shuō)，產(chǎn)生能量為2 千萬(wàn)億電子伏的伽馬光子，需要能量至少高10 倍的宇宙線粒子。這表明“泡泡”內(nèi)部存在超級(jí)宇宙線加速器，源源不斷地產(chǎn)生能量至少達(dá)到2 億億電子伏的高能宇宙線粒子。有足夠證據(jù)表明，“伽馬泡泡”里面隱藏著超高能宇宙線加速器。

有人會(huì)問：為什么要如此費(fèi)力修建“拉索”？探索未知世界并發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律是推動(dòng)科學(xué)不斷前進(jìn)的原動(dòng)力，“拉索”的作用就是幫助人類向科學(xué)更前沿邁進(jìn)?！袄鳌本拖褚蛔呗柕牟t望塔，通過(guò)它，我們隨時(shí)守望遙遠(yuǎn)宇宙?zhèn)鱽?lái)的消息——可能是關(guān)于宇宙的起源、一次攪動(dòng)時(shí)空的劇烈宇宙事件，或是關(guān)于宇宙的未來(lái)。