“拉索”七年：向着宇宙线研究的最前沿

开栏语：

从“九章”量子计算原型机到新一代人工智能，从“奋斗者”号全海深载人潜水器到解密衰老……面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求、面向人民生命健康，“十三五”期间，中国科学院用实实在在的成果担起了新时代科技创新的使命。

本报今起开设“‘十三五’科技创新成就巡礼”栏目，通过讲述一系列重大成果背后的故事，展现中科院作为“国家队”“国家人”肩负“国家事”“国家责”的使命担当。

在青藏高原最大的古冰体遗迹——海子山上，位于海拔4410米的高处，有一个占地面积达1.36平方公里的巨大“圆盘”。它的任务是接住从外太空洒向地面的带电粒子。

当这些粒子穿过稀薄的大气落到“圆盘”上时，科学家们可以通过与“圆盘”相连的计算机，挖掘出粒子带来的信息，并由此触及宇宙的奥秘。

这个“圆盘”名叫“拉索”，全称是“高海拔宇宙线观测站”（LHAASO），由国家发展改革委立项支持建设。中国科学家用了7年时间方才将它建成。这个全球独一无二的观测站，把人类与宇宙连在了一起。

“拉索”鸟瞰图（图片来源：中科院高能物理研究所）

“我们能不能达到国际领先？”

看似空空荡荡的星际空间里，有许多肉眼无法看见的粒子在以接近光速的速度飞行，其中不少粒子会“撞上”地球。1912年，奥地利物理学家赫斯乘坐气球飞到5000米高空时，确证了这些来自宇宙的不速之客，从此，人类有了一条探索宇宙奥秘的新线索——宇宙线。

中国的宇宙线研究几乎与新中国同龄。建国初期，王淦昌、张文裕、何泽慧、肖健等科学家回国，开启了中国宇宙线观测研究。他们曾在昆明东川一座3200米的山峰上建设了中国第一个宇宙线实验室——落雪站。

改革开放后，中国科学院高能物理研究所研究员谭有恒到日本留学。日本先进的综合性空气簇射阵列让他产生了在中国做类似实验的想法。回国后，他积极申请经费，希望在中国建设世界级宇宙线观测基地。

“要使中国的生产和技术具有持续发展的活力，必须有自己的基础科研作背景。”在一份材料中，谭有恒如是写道。

1989年，谭有恒等人提出在西藏建立第一代伽马天文探测器——羊八井宇宙线国际观测站。1992年，作为谭有恒的学生，曹臻成为羊八井宇宙线国际观测站的第一个值班人员。

“在那之后，我们已经基本上在国际上处于第一梯队，但仍不算领先，所以我们就在思考，如果说国家再给一次比较大的支持，我们能不能达到国际领先？”曹臻回忆。

这次思考的结果就是“拉索”的诞生。作为中国第三代宇宙线研究者，如今已是“拉索”首席科学家的曹臻记得，“拉索”方案形成过程中，他们在科学目标和工程技术实现能力之间反复平衡与取舍。2015年12月31日，“拉索”方案在经历中科院和国家层面的层层选拔后脱颖而出，获得国家发改委批准立项。

“边建设，边运行”

把“拉索”建在海子山上，是曹臻和选址团队在立项之前历时5年才决定的。

宇宙线容易受到大气层的影响，因此，宇宙线观测站需要建在空气稀薄的高海拔地域。5年里，为了给“拉索”找个合适的地方，曹臻等人跑遍了西藏、青海、云南、四川等所有具备高海拔特征的区域，最后发现，只有海子山能满足“天时地利人和”的所有条件。

选址团队成员、“拉索”建安分总体主任吴超勇记得，“拉索”所在的场地里河道遍布，稍有不慎就会一脚踏进沼泽，大家只能在一块块石头上跳着往前走。

这里的气候条件对施工来说也是挑战。“太冷的时候，这里无法进行混凝土施工，施工建设的时间大概是从每年5月到10月底，一共不到6个月。”吴超勇说。

即便如此，在曹臻眼中，这里仍是块“宝地”：“海子山海拔高，可以减少大气对宇宙线粒子的影响；地势平坦，有充足的水资源，可以满足交通、通信和探测器需要大量超纯净水的条件；各级地方政府也高度重视，大力支持。”

2017年，“拉索”主体工程动工。为克服环境对工程的影响，曹臻等人提出了“边建设，边运行”的思路。

按照设计，“拉索”工程包括1平方公里电磁粒子探测器阵列和有效面积达42000平方米的缪子探测器阵列；以测量簇射粒子在水中产生的切伦科夫光为探测技术的78000平方米探测器阵列；18台广角切伦科夫望远镜阵列。“第一年，我们先建四分之一，运行半年，然后再建四分之一，凑成二分之一，再运行半年……”曹臻说。

“真正的突破”

2020年1月，就在他们刚刚建成一半阵列的时候，“超出人们想象”的高能粒子和“幸运”一起降临在这个尚未完全成型的“圆盘”上。

科研人员通过“拉索”发现，银河系内普遍存在能够将粒子能量加速超过1拍电子伏特的超高能宇宙线加速器，这一发现超出了天体物理学家的预期。5月17日，成果发表于《自然》杂志，被杂志社专业副主编评价为“真正的突破”和“新时代的开始”。

在一个多月后，7月9日，《科学》杂志上又出现了来自“拉索”的研究成果：科研人员利用“拉索”，精确测量了高能天文学标准烛光——蟹状星云的亮度，在更广的能量范围内为超高能伽马光源测定了新标准，并由此确定在大约仅为太阳系十分之一大小的星云核心区内，存在能力超强的粒子加速器，直逼经典电动力学和理想磁流体力学理论所允许的加速极限。

“这是我们的幸运！这些观测成果已经展现出‘拉索’强大的科学发现威力。”由于兴奋，曹臻的脸微微有些泛红。

“照着这个路子走下去”

让曹臻如此兴奋的，不只是“拉索”出了两个成果，更在于这两项成果证明“‘拉索’的方向是对的”。“未来十年，我们的研究内容、研究方向都由此明确了。照着这个路子走下去，一定是会有更加重大的科技成果。”曹臻说。

10月17日，“拉索”通过工艺验收，进入科学运行阶段。“国际科学家已经把目光投向了‘拉索’，不少国际科研团队提出希望加入我们的科研合作组。”曹臻说。

最近，美国国家科学院、工程院和医学院发布了其最新的十年调查结果，概述了未来10 年天文学界的科学目标，其中多次提及“拉索”作为该领域领先的项目，将决定本领域的未来发展方向。由于该报告提到的三个这种级别项目中，只有“拉索”已进入工作状态，因此，“拉索”也被天体物理学家Felix Aharonian称为“正在运行的‘未来探测器’”。

“拉索”已经建成运行，但曹臻和他的团队并没有因此止步。面向未来，“拉索”团队还有提升空间分辨能力的新设想。“我们计划在‘拉索’上再建一个由32台望远镜组成的阵列，这个阵列建好之后，‘拉索’相当于又增加了一副‘火眼金睛’，将具有识别出真正发出超高能宇宙线位置的能力，进一步逼近最终的答案。”曹臻说。

每每谈到宇宙线探测的科学目标，曹臻总有说不完的话。如今，在依托“拉索”开展宇宙线研究的同时，他还在带着中国第四代和第五代宇宙线研究者走向国际，参与南部广域伽玛射线天文台（SWGO）的酝酿工作。

“我们还有很多很多想法，未来可能会通过这项国际合作去实现。”曹臻说。而这一国际合作被认为“有望帮助世界各地的科学家继续探索宇宙射线的起源，并进一步了解银河系本身”。