“拉索”開啟高能宇宙觀測新窗口

約20 億年前，在遙遠的宇宙深處，一顆20 倍太陽質(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

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

轉(zhuǎn)到了背面

在這次爆發(fā)期間，歐洲科學團隊建造的專門用于探測宇宙線的MAGIC 大氣切倫科夫望遠鏡，剛好背對伽馬射線暴來的方向，痛失觀測良機。

白云翔博士

中國科學院高能物理研究所高級工程師，天府宇宙線研究中心常務副主任。參加中國首臺高能宇宙線τ 中微子望遠鏡研制，參加“十二五”國家重大科技基礎設施高海拔宇宙線觀測站工程、“十三五”科教基礎設施宇宙線物理與探測技術(shù)平臺建設。長期從事高能物理實驗研究和大科學創(chuàng)新戰(zhàn)略研究。

最佳觀測

位于中國四川省稻城縣海子山的高海拔宇宙線觀測站——“拉索”（LHAASO），不僅全程記錄了這場持續(xù)數(shù)百秒的“宇宙煙花秀”，并且它的多個探測器陣列準確捕捉了高能伽馬光子的豐富信息。考慮到這次伽馬射線暴如此罕見，科學界認為：“拉索”的觀測成果將是未來數(shù)十年甚至上百年內(nèi)最佳的。

來自宇宙的\" 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)生大量次級粒子。

這樣的過程不斷重復，次級粒子的數(shù)量變得越來越多，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)百個甚至上千個μ 子穿透你的身體，但不會對你造成任何影響。通過探測這些次級粒子，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”，為我們捎來遙遠宇宙的物質(zhì)和信息。

宇宙線是如何被發(fā)現(xiàn)的？

1912 年，奧地利物理學家維克多·弗朗西斯·赫斯帶著三臺靜電計，乘坐熱氣球上升至5350 米的高空進行測量。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入大氣層。

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

威爾遜云室

人們可以通過一個由玻璃罐、毛氈、干冰和過飽和的醇類制成的云室來觀察宇宙線。當μ 子穿過云室，會在經(jīng)過的路徑產(chǎn)生離子（通過電離作用），過飽和蒸氣以離子為核心凝結(jié)成小液滴，從而顯示出μ子的移動路徑。

宇宙線——天然粒子物理實驗室

赫斯的發(fā)現(xiàn)開啟了一個新的時代——通過研究宇宙線，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，這使我們對正反物質(zhì)世界的認識更進一步。

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 年預言的能傳遞強相互作用的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，因為它們展現(xiàn)的是一個動態(tài)的、充滿活力的宇宙，其中涉及的能量超級高。就拿最強大的宇宙線粒子來說，它的能量是歐洲核子研究中心的大型強子對撞機產(chǎn)生的高能質(zhì)子能量的一千萬倍，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？要回答這個問題，第一步就是從錯綜復雜的爆發(fā)天體中確定哪些才是宇宙線的加速源，這正是“拉索”的核心科學目標。

要建設我國自主的宇宙線觀測站

早在20 世紀50 年代，我國就開始了對宇宙線的研究。但受制于制造能力和經(jīng)濟基礎，我國在很長一段時間里無法自主建設大規(guī)模、高水準的宇宙線觀測站。20 世紀80 年代建成的羊八井國際宇宙線觀測站，無論是探測器設計和建造，還是論文撰寫和發(fā)表，都無法實現(xiàn)中方主導。缺少自主的大規(guī)模、高水準宇宙線觀測站，導致我國的宇宙線研究在長時間里只能扮演“跟跑”的角色，這讓我國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曾經(jīng)人跡罕至的地方，如今已成為科學家追尋宇宙線奧秘的重要場所。在這里，“拉索”以其獨特的地理優(yōu)勢和先進的科研設施，不斷捕捉著來自宇宙深處的微弱信號，為我們逐步揭開宇宙線的神秘面紗。

曹臻院士自2013 年起擔任“拉索”項目的首席科學家。他不僅是該項目的提出者，也是工程建設領(lǐng)導者。用曹臻院士的話來說，“拉索”要做的就是“去考宇宙的古”。

獨特的選址

越高的地方，越有利于探測宇宙線。進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，產(chǎn)生次級粒子，引發(fā)簇射級聯(lián)現(xiàn)象；不同能量，不同種類的粒子，級聯(lián)的形態(tài)也各有不同。

有人說，觀測站越高越好。那為什么不在太空直接觀測宇宙線？實際上，我們的確是雙管齊下，在太空、地面同時觀測宇宙線。但太空觀測設備就像一個個小臉盆，而超高能量的宇宙線又極其稀少，幾乎“接”不住幾個。因此，只有在地面才有可能布置面積更大的探測器陣列，接收到更多的宇宙線事例。觀測站所處的高度跟我們要探測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裝置的另一大優(yōu)勢。宇宙線進入地球大氣層后會產(chǎn)生大量的次級粒子，像一場陣雨降落在地面，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面積來收集這些次級粒子。探測器規(guī)模大也有利于科研人員在短時間內(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”的探測器覆蓋面積約為1.36 平方千米，相當于兩個故宮的面積。此外，“拉索”還結(jié)合了多種探測手段。

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寧靜的海子（高山湖泊），冰川巨石遍布其間。海子山空氣稀薄，氣候嚴酷，每年十月份開始，這里的氣溫就徘徊在冰點左右。為什么“拉索”選址會定在自然條件如此嚴酷的山頭上？

為了選址，“拉索”團隊耗時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觀測上的優(yōu)勢，還有工程實施以及科學運行上的長遠考慮。海子山交通條件便捷，離國道僅數(shù)百米，距離稻城亞丁機場也不過十余千米，大大方便了人員與物資的運輸。光纖網(wǎng)基礎設施確保了海量數(shù)據(jù)的即時收集與傳遞。海子山山頂?shù)貏萜骄彛畲蟾叩筒顑H有三十米，有利于探測器陣列的精準布局與安裝，保證觀測的統(tǒng)一性和準確性。此外，這里的水資源也很充沛，是探測器建造所需的重要介質(zhì)。

四大優(yōu)勢

相比其他宇宙線觀測裝置，“拉索”具有四大優(yōu)勢：

大視場：“拉索”就像一個超級大的望遠鏡，它可以同時看到很大一片天空，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，這樣就不會錯過任何重要的宇宙線信號。

低閾能：“拉索”能觀測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”的觀測能力非常強，能夠捕捉到非常微弱的宇宙線信號，就像一只超級敏感的耳朵，能聽到遠處的微小聲音。

宇宙線探測，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，它們會受磁場干擾，從而偏離最初的方向。因此，要想通過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受磁場干擾的電中性粒子。但問題是，這些中性粒子的數(shù)量非常稀少，需要探測器有很強的分辨能力，才能把光子從背景噪聲中挑出來。

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

艱難的建設

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”這一偉大科學工程的啟動，一切都發(fā)生了變化。來自四面八方的近百名科研人員、二十多個高等學府和研究院所的專家以及四十多家企業(yè)的工程師，紛紛投身于這場科學探索的征途。

參與“拉索”建設的人，首先要面對高原反應。最初來的一批工人中，大約50% 因為高原反應太劇烈離開了項目。留下來的人，克服了高原反應、低溫和強烈紫外線，只用半年的時間就完成了一年的工程量。在“拉索”建設的高峰期，現(xiàn)場有約600 人。

“拉索”大科學裝置觀景臺下的一塊牌子上，寫著這樣一句話：“無論有多大的困難，都要去克服，再困難還要去克服。克服就是要去做這個做不了的事情。”

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

無法預期的發(fā)現(xiàn)接踵而至

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

“拉索”項目打破了等科學裝置建成后才啟動的傳統(tǒng)科研方式，采用了一種創(chuàng)新的“邊建設邊運行”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”的觀測結(jié)果，帶來了源源不斷的重大科學發(fā)現(xiàn)和研究成果。

2020 年1 月，只完成一半建設進度的“拉索”收集到了最高能量為1.4 拍電子伏特的伽馬光子，這個能量相當于醫(yī)院X 射線能量的1000億倍，是迄今觀測到的能量最高的光子。基于這個發(fā)現(xiàn)，“拉索”的科學團隊發(fā)現(xiàn)銀河系內(nèi)普遍存在拍電子伏特加速器。這項發(fā)現(xiàn)被《自然》雜志評為“真正的突破”和“新時代的開始”。

在“拉索”項目完成國家驗收前，我國科學家基于“拉索”數(shù)據(jù)發(fā)表的期刊論文數(shù)量已經(jīng)多達215 篇。在高能宇宙線探測領(lǐng)域的國際會議上，中國科學家的發(fā)現(xiàn)和成果占據(jù)主流。在一次于西班牙召開的學術(shù)會議上，外國科學家對中國科學家抱怨說：“這不公平，老天爺對你們太眷顧了。我們努力了20 年，什么也沒看到。”

對于這種言論，曹臻院士認為，正是因為我們擁有最靈敏的探測器，所以我們能夠取得最杰出的發(fā)現(xiàn)，而在這一切的背后，是無數(shù)人默默的付出。

如今，已有超過30 個國內(nèi)外研究機構(gòu)加入“拉索”的合作組中，共同開展研究。“拉索”已經(jīng)建成運行，并取得了多項重大成果，但探索永無止境。“我們計劃在‘拉索’上再建一個由32 臺望遠鏡組成的陣列。這個陣列建好之后，‘拉索’相當于又增加了一雙‘火眼金睛’，將具有超高能宇宙線發(fā)射位置的識別能力，進一步逼近最終的答案。”曹臻院士說。

“拉索”再一次驗證了相對論時空對稱的正確性

按照現(xiàn)有理論，如果洛倫茲對稱性在高能端破壞，高能光子會快速衰變?yōu)橐粚φ撾娮訉蛘咚プ優(yōu)? 個伽馬光子。換句話說，高能量的光子在飛往地球的旅程中就自動消失了！對于我們在地球上的觀測者來說，即使天體源已經(jīng)發(fā)出了能量更高的光子，我們測量到這個天體的光子能譜也在這個特定的能量就忽然截斷了。而根據(jù)“拉索”的觀測數(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，表明洛倫茲對稱性在接近普朗克能標下仍然是正確的。

“拉索”發(fā)現(xiàn)巨型“伽馬泡泡”，確認首個超級宇宙線加速源

2024 年2 月26 日，我國科學家基于“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)了一個巨型的超高能伽馬射線泡狀結(jié)構(gòu)。

這個泡狀結(jié)構(gòu)的中心距離地球約5000 光年，直徑約1000 光年。通過深入研究，在“伽馬泡泡”內(nèi)分布有多個能量超過1 千萬億電子伏的光子，最高達到2 千萬億電子伏。一般來說，產(chǎn)生能量為2 千萬億電子伏的伽馬光子，需要能量至少高10 倍的宇宙線粒子。這表明“泡泡”內(nèi)部存在超級宇宙線加速器，源源不斷地產(chǎn)生能量至少達到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。

有人會問：為什么要如此費力修建“拉索”？探索未知世界并發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律是推動科學不斷前進的原動力，“拉索”的作用就是幫助人類向科學更前沿邁進。“拉索”就像一座高聳的瞭望塔，通過它，我們隨時守望遙遠宇宙?zhèn)鱽淼南ⅰ赡苁顷P(guān)于宇宙的起源、一次攪動時空的劇烈宇宙事件，或是關(guān)于宇宙的未來。