徐浩煊 四川日?qǐng)?bào)全媒體記者 徐莉莎
5月10日，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所(以下簡(jiǎn)稱“中科院高能所”)傳來(lái)消息，國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——高海拔宇宙線觀測(cè)站(LHAASO，又稱“拉索”)正式通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收。
這標(biāo)志著拉索正式建成，睜開(kāi)“雙眼”晝夜不停地接收著來(lái)自外太空的神秘信號(hào)，對(duì)當(dāng)今最重要的科學(xué)前沿課題之一——高能宇宙線起源問(wèn)題發(fā)起沖擊。
宇宙線像“信使”，攜帶著宇宙起源、天體演化、太陽(yáng)活動(dòng)等重要科學(xué)信息，從外太空來(lái)到地球。拉索的任務(wù)就是接住它們，把收集到的信息傳遞給科學(xué)家，解開(kāi)宇宙起源、天體演化的秘密。
2009年，當(dāng)拉索的建設(shè)計(jì)劃提出時(shí)，中國(guó)在宇宙線研究上還處在跟跑的位置；海子山還只是青藏高原上那個(gè)最大的古冰體遺跡。
隨著拉索建成投用，我國(guó)宇宙線研究結(jié)束長(zhǎng)達(dá)半個(gè)多世紀(jì)的跟跑，穩(wěn)穩(wěn)當(dāng)當(dāng)站到了領(lǐng)先位置——在高能伽馬射線天文領(lǐng)域的研究達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。
回顧拉索14年的建設(shè)歷程，也回答了我們的疑問(wèn)：拉索為什么建在四川？大科學(xué)裝置建設(shè)難在哪里？我們?yōu)槭裁匆獌A盡心力走在科技前沿？
當(dāng)年面對(duì)的質(zhì)疑
“你們花這么多錢建這個(gè)東西，沒(méi)準(zhǔn)將來(lái)什么也看不見(jiàn)”
斑白的頭發(fā)梳理得一絲不茍，西服筆挺，為了迎接這標(biāo)志性的一天，項(xiàng)目經(jīng)理、首席科學(xué)家曹臻已經(jīng)準(zhǔn)備了30多年。
作為來(lái)自地球以外廣袤空間的微觀粒子，自宇宙線發(fā)現(xiàn)以來(lái)，相關(guān)探索已誕生數(shù)枚諾貝爾獎(jiǎng)?wù)??！暗牵钪婢€的起源在哪？為什么它們有這么高能量的粒子？是怎么加速的？至今未知?！辈苷檎f(shuō)。
2008年，曹臻接到中科院高能所通知：“國(guó)家在開(kāi)展‘十二五’大科學(xué)裝置的規(guī)劃，你們可以考慮提一個(gè)大的宇宙線項(xiàng)目?！?/p>
這讓曹臻興奮不已。雖然我國(guó)的宇宙線研究早在1949年就已經(jīng)開(kāi)始，但直到上世紀(jì)70年代，實(shí)驗(yàn)室才進(jìn)入“可用的狀態(tài)”。即便是上世紀(jì)八九十年代在西藏羊八井國(guó)際宇宙線觀測(cè)站與日本的合作，也并不風(fēng)光——整個(gè)研究幾乎被日方主導(dǎo)。
“過(guò)去更多的是跟跑，能不能借這個(gè)大科學(xué)裝置建設(shè)的機(jī)會(huì)，做出世界領(lǐng)先的宇宙線觀測(cè)陣列？”曹臻想。
宇宙線進(jìn)入大氣后，會(huì)與空氣發(fā)生劇烈的相互作用，產(chǎn)生次級(jí)粒子。次級(jí)粒子繼續(xù)與空氣作用，形成級(jí)聯(lián)反應(yīng)，產(chǎn)生類似陣雨的空氣簇射。
“‘陣雨’傾盆，我們要用各種各樣的容器，比如‘土堆’下的罐子、‘大棚’中的水池，還有‘大箱子’，去收集‘雨滴’?！辈苷榻榻B，拉索就像一個(gè)大型“集雨”裝置，將地面粒子探測(cè)與望遠(yuǎn)鏡探測(cè)手段結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多能區(qū)覆蓋。
一個(gè)由電磁粒子探測(cè)器、繆子探測(cè)器、水切倫科夫探測(cè)器、廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡組成，靈敏度、覆蓋范圍均達(dá)國(guó)際領(lǐng)先水平的拉索計(jì)劃，應(yīng)運(yùn)而生。
2009年，在北京香山科學(xué)會(huì)議上，曹臻提出在高海拔地區(qū)建設(shè)大型復(fù)合探測(cè)陣列拉索的完整構(gòu)想。
也是那一年，當(dāng)曹臻第一次在國(guó)際會(huì)議上分享拉索計(jì)劃時(shí)，同行的目光都聚焦在同類型的歐洲的切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列(CTA)計(jì)劃和美國(guó)的高海拔水切倫科夫觀測(cè)計(jì)劃(HAWC)上。不僅如此，還有人質(zhì)疑：“0.1拍電子伏特就是極限，你們花這么多錢建這個(gè)東西，沒(méi)準(zhǔn)將來(lái)什么也看不見(jiàn)?！?/p>
遭受的冷眼，轉(zhuǎn)化成一股干事的勁頭。選址至關(guān)重要。要脫離大氣層的束縛，就要在海拔4000—5000米的位置找一塊足夠大的平地，且落差不超過(guò)50米，要有公路、機(jī)場(chǎng)和醫(yī)療機(jī)構(gòu)，要有光纖和充足的供電。所有條件綜合下來(lái)，找到一個(gè)“最大公約數(shù)”并不容易。
“四川、云南、西藏、青海四省區(qū)，幾十個(gè)備選站址，我們一個(gè)個(gè)走下來(lái)?！表?xiàng)目副經(jīng)理、總工藝師何會(huì)海跑遍了所有備選點(diǎn)。
曹臻至今仍記得在甘孜稻城初見(jiàn)海子山的模樣?！白畛醯倪x址并不在這里?！辈苷榛貞?，一開(kāi)始選址在山后大概1公里遠(yuǎn)的地方，但那里太潮濕，全是沼澤。
退出來(lái)以后，發(fā)現(xiàn)一處相對(duì)平坦、干燥、開(kāi)闊的地方。這里有大大小小1000多個(gè)湖泊，可以滿足用水需求；鄰近國(guó)道227線，距離機(jī)場(chǎng)10多公里，交通便利。加之與四川省政府一拍即合，得到了鼎力支持。
天時(shí)地利人和，拉索選址稻城。
從2017年開(kāi)工即面臨的極限挑戰(zhàn)
“以為只用造出一臺(tái)拖拉機(jī)，結(jié)果是對(duì)標(biāo)一臺(tái)跑車的性能”
大科學(xué)裝置的建設(shè)是圍繞多年來(lái)沒(méi)能解決的問(wèn)題，因此這個(gè)裝置里的每個(gè)部分，都包含著非常嚴(yán)苛的技術(shù)要求。
中科院高能所副所長(zhǎng)董宇輝說(shuō)：“要做那些突破技術(shù)極限的東西，要有宏大的目標(biāo)、宏大的設(shè)備、尖端的技術(shù)、超越技術(shù)上限的做法，所有這一切才能稱之為大科學(xué)。”
拉索的極限挑戰(zhàn)，從2017年開(kāi)工起就擺在眼前。海子山上地貌復(fù)雜，高寒缺氧，冰川活動(dòng)產(chǎn)生了大量巨大漂礫。“整間屋子那么大的石頭遍地都是?！?/p>
何會(huì)海回憶，最初當(dāng)?shù)卣鰣?chǎng)平時(shí)，用的都是當(dāng)?shù)厝?，工人淘汰率約三成。等到了建設(shè)安裝階段，身處海拔4000多米的無(wú)人區(qū)，高寒缺氧，有工人剛下車就受不了?！敖o多少錢都不干，工人淘汰率達(dá)到50%?！?/p>
然而，更多的人留了下來(lái)，特別是上山的科研人員，一個(gè)不少。建設(shè)期間，中科院高能所的研究人員，每天穿梭在這片布滿了大小不一的花崗巖漂礫及形態(tài)各異的冰蝕巖盆的荒原上。他們通宵達(dá)旦投入工作，承受著巨大的心理壓力和體能考驗(yàn)。
挑戰(zhàn)，還來(lái)自對(duì)技術(shù)極限的突破。作為一個(gè)科學(xué)探測(cè)裝置，項(xiàng)目建設(shè)的水切倫科夫探測(cè)器必須要達(dá)到相關(guān)指標(biāo)——要有一個(gè)避光、防腐、保溫、防滲的外殼。
避光，為了進(jìn)一步提高信噪比；防腐，為了水體不被污染；保溫，為了在海子山冬季零下35攝氏度的條件下，避免水體結(jié)冰造成探測(cè)系統(tǒng)的物理?yè)p壞；防滲，保證這個(gè)世界上最大的水切倫科夫探測(cè)器陣列，探測(cè)介質(zhì)穩(wěn)定。
以防滲為例，35萬(wàn)噸水液面的日變化幅度，要穩(wěn)定在不大于4毫米。建設(shè)單位拿下標(biāo)的時(shí)還很慶幸，以為只是建一個(gè)普通的加蓋水池，“他們以為只用造出一臺(tái)拖拉機(jī)，結(jié)果是對(duì)標(biāo)一臺(tái)跑車的性能。”項(xiàng)目建安分總體主任馮少輝說(shuō)。
在沒(méi)有國(guó)標(biāo)可參考的情況下，“薄壁混凝土現(xiàn)澆邊墻+軟基土工膜防滲系統(tǒng)+大跨度輕鋼屋面結(jié)構(gòu)”設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)而生。不僅是國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，更滿足了探測(cè)器在避光、防凍、防銹蝕和水位保持等方面的超高指標(biāo)要求。
該項(xiàng)目最后獲評(píng)四川省建設(shè)工程“天府杯”金獎(jiǎng)，雖然總體投資不過(guò)1.6億元，“含金量”不高，但“含科量”極高，評(píng)選時(shí)獲得全票通過(guò)。
挑戰(zhàn)，還來(lái)自自我加壓?！盁o(wú)論有多大的困難，都要去克服，再困難都要去克服，克服就是要去做這個(gè)做不了的事情?！辈苷檫@句話，被做成了紅牌子，放在幾個(gè)繆子探測(cè)器之間。這話，也是在啃一塊“硬骨頭”時(shí)說(shuō)的。
這是1188個(gè)繆子探測(cè)器中最難的幾個(gè)。要鏟平如房子大小的亂石堆，挖出深坑，布局探測(cè)器?？紤]到土建工程的難度，團(tuán)隊(duì)最初放棄了陣列核心區(qū)域局部范圍的繆子探測(cè)器修建。但隨著一半陣列的科學(xué)運(yùn)行和相關(guān)物理分析的逐漸深入，曹臻意識(shí)到缺失的陣列面積不大，但影響不小。
為了填補(bǔ)陣列設(shè)計(jì)之初的空白，團(tuán)隊(duì)和施工建設(shè)方在工程現(xiàn)場(chǎng)勘查，幾易施工方案，最終在不適宜建造探測(cè)器的冰磧壟上，完成探測(cè)器的建設(shè)。
在高寒缺氧環(huán)境下的共克時(shí)艱
“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”
“除了我們科學(xué)家，工人團(tuán)隊(duì)的困難實(shí)際上更多更具體?！辈苷檎f(shuō)。最多的時(shí)候，全站工人數(shù)量達(dá)到600人。
由于高寒缺氧，稻城每年的施工季只有半年。兩個(gè)月內(nèi)要完成500多個(gè)繆子探測(cè)器的安裝，有的部件還必須在現(xiàn)場(chǎng)加工，趕進(jìn)度的壓力可想而知。
2020年初，新冠疫情突如其來(lái)，但項(xiàng)目必須按計(jì)劃施工。經(jīng)與各級(jí)防疫部門溝通，來(lái)自全國(guó)各地的工人匯聚到海子山上，3月5日準(zhǔn)時(shí)開(kāi)工。
2020年9月，距離繆子探測(cè)器的完工節(jié)點(diǎn)還有一個(gè)月，工人也開(kāi)始自發(fā)地“三班倒”。馮少輝注意到一個(gè)來(lái)自東北的工人，“小伙子剛來(lái)的時(shí)候白白凈凈，沒(méi)幾個(gè)月已經(jīng)滿面風(fēng)霜、判若兩人?！瘪T少輝問(wèn)他，待了這么久，習(xí)慣了嗎？他說(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?！?/p>
也正是在這個(gè)關(guān)鍵時(shí)期，出現(xiàn)了產(chǎn)能不足、經(jīng)費(fèi)緊缺的問(wèn)題?！耙呀?jīng)簽好的合同，都付不出錢?！睘榱吮ＷC工期，工人自發(fā)地告訴項(xiàng)目部，任務(wù)還沒(méi)完成，先不要工錢?！鞍褍H有的錢給項(xiàng)目部，先拿去供材料?！?/p>
在沖刺誓師大會(huì)上，馮少輝代表業(yè)主方講話時(shí)，哽咽到說(shuō)不出話來(lái)，先給大家鞠了一躬，“謝謝大家對(duì)項(xiàng)目的支持!”
一同挑戰(zhàn)極限的，還有合作項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)。
項(xiàng)目的高精度多節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)距離時(shí)鐘分配與同步系統(tǒng)，被稱為“小白兔”系統(tǒng)。這個(gè)名字源于童話故事《愛(ài)麗絲夢(mèng)游仙境》。愛(ài)麗絲遇到了一只白兔，這位白兔先生一直看著手表嘟囔“天哪天哪，我要遲到了……”
拉索的“小白兔”就是幫助6000多個(gè)探測(cè)器節(jié)點(diǎn)精準(zhǔn)對(duì)時(shí)的。
“拉索測(cè)量‘陣雨’落下來(lái)的方向、落在不同地方的‘雨滴’時(shí)間，來(lái)重建整場(chǎng)‘陣雨’?！甑巍w落的速度是光速，到達(dá)不同探測(cè)器的時(shí)間差也就是十納秒量級(jí)。”曹臻說(shuō)。
“小白兔”原本是加速器中的授時(shí)技術(shù)，當(dāng)時(shí)的對(duì)時(shí)精度只有1納秒。來(lái)自清華大學(xué)的合作團(tuán)隊(duì)克服重重困難，把對(duì)時(shí)精度提高了5倍，達(dá)到0.2納秒，為世界同類技術(shù)最高水平，使得拉索能夠把“宇宙信使”的方向精確到0.3°的范圍內(nèi)。
項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)通過(guò)自主創(chuàng)新和國(guó)際合作，完成了多項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)。比如首次在大視場(chǎng)成像切倫科夫望遠(yuǎn)鏡中大規(guī)模使用新型硅光電管，有效觀測(cè)時(shí)間大大增加；比如完全自主創(chuàng)新研發(fā)、世界上尺寸最大的光電倍增管——20英寸超大型光電倍增管，打破了國(guó)際上單一供應(yīng)商壟斷的局面，也極大提高了探測(cè)器性能。
用最好的探測(cè)器去爭(zhēng)取最好的發(fā)現(xiàn)
“只有做出世界一流的科學(xué)成果，
解釋宇宙的話語(yǔ)權(quán)才會(huì)逐漸回到我們這里”
2021年11月，拉索項(xiàng)目按期全面完成了國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)批復(fù)的各項(xiàng)建設(shè)任務(wù)，成為國(guó)際高水平的超高能伽馬射線探測(cè)裝置，也是世界上重要的粒子天體物理支柱性實(shí)驗(yàn)設(shè)施之一。
早在陣列試運(yùn)行時(shí)，拉索就取得了突破性成果，并發(fā)表在國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然》《科學(xué)》上。
2022年10月9日21時(shí)17分，拉索和高能爆發(fā)探索者、慧眼衛(wèi)星同時(shí)探測(cè)到迄今最亮的伽馬射線暴，打破了多項(xiàng)伽馬射線暴觀測(cè)紀(jì)錄。伽馬射線暴是宇宙中最劇烈的天體爆發(fā)現(xiàn)象，本次伽馬射線暴發(fā)生的位置，距離地球20多億光年。
“老天爺給了我們巨大的禮物?！辈苷閺牟换乇苷?wù)撊〉眠@些成果的偶然性。
歐洲人專門為射線暴的觀測(cè)建設(shè)了一臺(tái)裝置MAGIC，可射線暴發(fā)生時(shí)，歐洲正好轉(zhuǎn)到了地球背面。“MAGIC什么也沒(méi)看到。”
曹臻曾經(jīng)和《科學(xué)》雜志的編輯說(shuō)：“我們有最好的探測(cè)器，因此有最好的發(fā)現(xiàn)?！?/p>
對(duì)方反駁：“我承認(rèn)你們有最好的探測(cè)器，這沒(méi)有爭(zhēng)議，但有沒(méi)有好的發(fā)現(xiàn)，可不是由你們說(shuō)了算。”曹臻無(wú)力反駁。
隨著在《自然》《科學(xué)》上連發(fā)成果，曾被外界質(zhì)疑的拉索，一次次被科學(xué)界聚焦。
目前，已有28個(gè)天體物理研究機(jī)構(gòu)成為拉索的國(guó)際合作組成員單位?！懊绹?guó)人已經(jīng)把‘拉索’列為他們未來(lái)10年—20年的追趕目標(biāo)，還準(zhǔn)備在南半球建立類似的裝置超過(guò)我們?！辈苷檎f(shuō)。
“希望大嗎？”記者問(wèn)。曹臻笑了笑。跟跑與趕超，其實(shí)是一個(gè)螺旋交替的過(guò)程。曹臻說(shuō)，過(guò)去幾十年，我們追趕別人。現(xiàn)在我們突破了，有了世界領(lǐng)先的裝置，有了新的發(fā)現(xiàn)就必然會(huì)有新的問(wèn)題。
曹臻分析，當(dāng)前最具體的問(wèn)題，就是拉索現(xiàn)在看到的這些射線源，實(shí)際上它的內(nèi)部是有結(jié)構(gòu)的，原來(lái)沒(méi)有預(yù)料到這個(gè)問(wèn)題。所以未來(lái)的第一步，是要提高拉索的空間分辨能力，讓它能把一些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)解析得很清楚。第二步，是現(xiàn)在找到的光源除了發(fā)出伽馬光，還會(huì)伴生中微子，因此未來(lái)還要去做中微子的探測(cè)。
“要想實(shí)現(xiàn)這些不太容易，可能就是未來(lái)一二十年的事，一直要往這個(gè)方向去奮斗、去努力?！辈苷檎f(shuō)，“如何認(rèn)識(shí)和理解宇宙，現(xiàn)在中國(guó)人沒(méi)有發(fā)言權(quán)。要改變這個(gè)局面，不能靠吶喊。要引領(lǐng)這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展，只有做出世界一流的科學(xué)成果，解釋宇宙的話語(yǔ)權(quán)才會(huì)逐漸回到我們這里?！?/p>
