從2015年立項,到2021年完成建設, “拉索”一邊建設一邊觀測,已為人類打開了一扇觀測宇宙的全新窗口。未來十幾年,它將助力中國粒子天體物理研究走向世界最前沿,向當今最重要的科學前沿課題——高能宇宙線起源問題發(fā)起沖擊。
挺進宇宙探測“無人區(qū)”,挑戰(zhàn)著科學家的勇氣、智慧與毅力;高海拔施工,更帶來難以想象的困難?!袄鳌钡尼绕?,展現(xiàn)出中國科技自立自強的決心與能力。它在建設與運行中所凝聚起的“挑戰(zhàn)極限”的海子山精神,也將成為我國建制化基礎研究的一個典范。
▲拉索全景航拍圖
敢想:在世界屋脊建最靈敏的宇宙線大裝置
“在人類未來的宇宙觀中,我們一定要留下中國人書寫的篇章?!薄袄鳌笔紫茖W家、中科院高能所研究員曹臻是我國宇宙線研究發(fā)展的見證者、參與者,更是目前的引領者。
為尋找宇宙線的起源,早在新中國建立之初,王淦昌、何澤慧等老一輩科學家就在云南昆明東川一座3200米的山峰上,建起了中國第一個宇宙線實驗室——落雪站。上世紀90年代,譚有恒等人在西藏建立我國第一代伽馬天文學探測基地——羊八井宇宙線國際觀測站。
曹臻曾跟隨導師譚有恒在羊八井值守多年,見證了中國宇宙線研究一步步走到國際前沿,逐漸開始思考“如何才能走到國際領先?”
▲曹臻與他的拉索構想
歷數(shù)目前人類對宇宙構成的認知中,幾乎沒有一個重要觀點是由中國科學家貢獻的。“五千年泱泱中華文明,不應該在人類的宇宙觀中毫無話語權。”一幅宏偉的宇宙線研究藍圖,開始在曹臻心中勾畫:只有做出一流研究成果,引領國際宇宙線領域的發(fā)展,才可能在人類未來宇宙觀的構成中,擁有話語權。
立足百年未有之大變局,科學研究范式正在發(fā)生深刻變革。在最前沿的物理學領域,“得大裝置者得天下”已成大勢所趨。無論是“上帝粒子”還是引力波的發(fā)現(xiàn),都得益于大科學裝置性能的提升。
2010年左右,世界各國紛紛提出下一代伽馬天文觀測大科學裝置計劃。經(jīng)過多年醞釀,曹臻提出了利用世界屋脊的地理優(yōu)勢,建立世界上靈敏度最高的高海拔宇宙線觀測站的設想——靈敏度比當時最好的宇宙線裝置高出30倍!
“這個設想對粒子物理、天文學、宇宙學等諸多學科來說,都極具引領性。”中科院高能所副所長董宇輝認為,當自由探索發(fā)展到一定階段,建制化基礎研究一定會出現(xiàn)。只有提出重大科學問題,形成“使命驅動”,才能將多個團隊聯(lián)合在一起,共同克服困難,最終求解答案。
建成后的“拉索”,其國際領先地位已無可質疑:它是世界上最靈敏的超高能伽馬射線探測裝置、靈敏度最高的甚高能伽馬巡天普查望遠鏡、能量覆蓋范圍最寬的超高能宇宙線復合式立體測量系統(tǒng)。
基于其超高的探測靈敏度,“拉索”在初步運行期間就已經(jīng)取得了一系列突破性的重大發(fā)現(xiàn):在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)大量超高能宇宙加速器候選天體,并記錄到人類觀測到的最高能量光子;精確測定標準燭光蟹狀星云的超高能段亮度,發(fā)現(xiàn)1千萬億電子伏特伽馬輻射,挑戰(zhàn)理論極限……
如今,國際粒子天體物理領域形成了一股“拉索效應”:詢問“拉索”的最新發(fā)現(xiàn),已成為該領域科學家“每會必談”的熱門話題。
曹臻透露,不久之后,“拉索”還將公布一項重要發(fā)現(xiàn),可能會改變?nèi)祟惸壳皩Σ糠痔祗w現(xiàn)象的理解,“我們的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)開創(chuàng)了超高能伽馬天文學,未來還將以更大的全新發(fā)現(xiàn),將中國人的貢獻寫入人類未來的宇宙觀”。
敢做:靠自己的力量建成“拉索”,唯有中國
由于宇宙微波背景輻射會吸收高能粒子,對于1PeV(拍電子伏特,P即10的15次方)以上的超高能粒子,宇宙就不再是“透明”的。再加上大氣的吸收,這些粒子落在地球上的概率,在每平方米土地上可能一年才有一次。
當超高能粒子撞入大氣時,就會“一變二、二變四、四變八”地激發(fā)一系列低能的次級粒子,這被稱為“級聯(lián)簇射”。通過探測這些次級粒子,科學家可以反推出那顆超高能粒子的方向和能量。“拉索”就是為此而造。
從空中俯瞰群山間的“拉索”,5216個電磁粒子探測器和1188個繆子探測器構成一平方公里地面簇射粒子探測器陣列、7.8萬平方米的水切倫科夫探測器陣列、18臺廣角大氣切倫科夫望遠鏡。它猶如一幅人類問天的圖騰,表達著人類窺探宇宙的好奇。
▲由電磁粒子探測器陣列和繆子探測器陣列組成的一平方公里陣列(KM2A)
占地1.36平方千米,建在超過4000米的高海拔地區(qū),還要將裝置靈敏度提升30倍,工程難度可想而知。而“拉索”實現(xiàn)了幾乎百分之百的國產(chǎn)化。
“是中國國內(nèi)完備的工業(yè)體系給了科學家挑戰(zhàn)不可能的信心和勇氣?!倍钶x不無自豪地說,“放眼全球,能完全依靠自己的力量建成‘拉索’這樣的大科學裝置的,唯有中國?!?/p>
且不論儀器設備的尖端突破,“拉索”單憑水電配套、時間同步,就創(chuàng)下了“世界第一”。
或許沒人會想到,“拉索”的純凈水水體冠絕世界。7.8萬平方米的水切倫科夫探測器陣列完全浸泡在水深達4.5米、相當于兩個“水立方”(國家游泳中心)大小的水池中。如此巨大的純凈水體,對建筑提出了極其苛刻的要求。
“剛接手時,以為只是造臺拖拉機,后來發(fā)現(xiàn)性能要求堪比跑車。”項目建安分總體主任馮少輝以此比方,來形容中國電建集團成都勘測設計研究院接下大水池工程之后的感受。
▲科研人員在水切倫科夫探測器陣列內(nèi)部檢查設備
由于粒子發(fā)出的切倫科夫光極其微弱,因此整個水體建筑必須絕對防光;為確保水底的探測設備正常工作,在冬季冷到-35℃的海子山上,水池里的水體不能結冰,且晝夜溫差不得超過0.05℃;總水量每天的變化率要控制在0.03%以內(nèi)。
“最后,這個投資僅1.6億元的項目,獲得了四川省建設工程天府杯的金獎?!瘪T少輝說,讓評委投出全票的理由只有一條——技術含金量實在是高。
時間同步精度,這是在海子山上挑戰(zhàn)的又一個極限?!袄鳌钡臅r間分配系統(tǒng)實現(xiàn)了世界上最高水平的同步精度,達到亞納秒級別。
當一個超高能粒子引發(fā)的級聯(lián)簇射到達地面,粒子先后時差以十幾納秒計。通常,時間同步靠光子在光纖中“奔走相告”。可到了納秒級,哪怕細微的溫度擾動、距離差異,都可能導致時間同步出現(xiàn)誤差。
為此,清華大學團隊與高能所聯(lián)手,通過巧妙的技術改進,使近萬個探測器節(jié)點之間的時間偏差小于0.3納秒。而且,整個系統(tǒng)可以不受光纖長度和溫度變化影響,自動校正并補償線路延遲,還非常適應野外工作環(huán)境。這套系統(tǒng)被科學家昵稱為“小白兔”。
光電倍增管的突破,也是“拉索”的驕傲?!袄鳌毖兄瞥隽诵乱淮韫怆姳对龉芟鄼C,突破了傳統(tǒng)設備無法在月夜進行觀測的局限,使18臺廣角大氣切倫科夫望遠鏡的觀測時間得到成倍提高。
▲廣角切倫科夫望遠鏡陣列(WFCTA)
過去,20英寸光電倍增管的技術被國外壟斷。這次,“拉索”團隊攜手國內(nèi)高科技企業(yè),成功制造出高時間性能的同類產(chǎn)品,而且良品率非常高——生產(chǎn)了2200多個,次品僅55個。這些次品被設計成了一面裝飾墻,陳列在位于稻城鎮(zhèn)上的“拉索”科普展示館中。這一突破,不僅迫使國外企業(yè)大幅降價,甚至還讓他們上門來求購。
敢拼:“給錢也不干”的工地上,科研人員“零淘汰”
構成海子山精神的,不僅有科學家、工程師的迎難而上、挑戰(zhàn)極限,還有普通工人的愛崗敬業(yè)與無私奉獻。
2017年,“拉索”基建開工時,遇到了“招工難”。地處高海拔、無人區(qū),面對高寒、缺氧、手機信號不佳等惡劣條件,很多前來找活兒的工人剛一下車,看到條件這么艱苦,第二天就走了,只撂下一句“給錢也不干”。
據(jù)不完全統(tǒng)計,“拉索”基建工地上的工人淘汰率超過50%。然而,最終在工地上留下來的工人都非常吃苦耐勞,最高峰時約有600多人,這令前來參觀的歐洲同行吃驚。工人們的敬業(yè)與刻苦,也讓科研人員深深感動。
▲電磁粒子探測器安裝
身處海拔4410多米的高原,普通人哪怕多說會兒話,都感覺氣喘費力,更何況工人承擔著基建工地上的重體力活兒。在繆子探測器建設中,有位來自東北的小伙子。剛來時白白凈凈的他,每天在工地上風吹日曬,半年后就變得皮膚黝黑、胡子拉碴,身上的衣服也滿是油污,外貌與之前幾乎判若兩人。
▲暴雪后的繆子探測器(MD)陣列
稻城每年10月就開始霜凍,因此只有半年時間適合施工。2020年,受到新冠疫情的影響,能夠施工的時間只剩下兩個月。為了在兩個月里完成半年的工程量,工人們自發(fā)三班倒加班。當年9月底,當工人們得知工程經(jīng)費吃緊,主動讓工程經(jīng)理“先拿我們的工錢去買材料”?!袄鳌惫こ添椖扛笨偨?jīng)理、總工藝師何會?;貞洠敃r所有管理層都深受感動,表示“工錢會盡快補上,不會欠大家一分錢”。
值得一提的是,在如此艱苦的環(huán)境下,科研人員的淘汰率為零。這得益于中科院成都分院開創(chuàng)的“稻城觀測+成都研究”模式。中科院成都分院副院長陳鋒介紹,海子山的觀測站條件艱苦,他們通過協(xié)調(diào)地方政府,一方面在稻城鎮(zhèn)上建起測控基地,并輔以生活設施,一方面在成都設立成都天府宇宙線研究中心,方便引才的同時,為宇宙學、粒子物理、空間環(huán)境等交叉研究提供綜合平臺。
在曹臻看來,“拉索”通過驗收又是一個起點。未來,他們還將圍繞高能宇宙射線源開展更多研究。比如,建造靈敏度更高的觀測設備,努力“看清”射線源內(nèi)部構造,結合中微子探測確定射線源的更多性質。
“未來可期,亦不可期?!笨茖W家們將在不斷挑戰(zhàn)極限中,揭示更多宇宙奧秘。
引自文匯報2023.5.10版 原地址:http://wenhui.whb.cn/zhuzhanapp/kjwz/20230510/520507.html