以實(shí)力證明中國(guó)方案

文/倪思潔

宇宙線，被稱為“銀河隕石”，是傳遞宇宙大事件的“信使”，攜帶著宇宙起源、天體演化、太陽(yáng)活動(dòng)和地球空間環(huán)境等重要科學(xué)信息。研究宇宙線及其起源，是人類探測(cè)宇宙的重要途徑。當(dāng)前，宇宙線物理的核心問(wèn)題是尋找宇宙線的起源。

由于宇宙線中大部分都是帶電粒子，在傳播過(guò)程中因星際磁場(chǎng)而偏轉(zhuǎn)，到達(dá)探測(cè)器時(shí)早已失去原初的方向信息，因此只能通過(guò)對(duì)來(lái)自宇宙線源的極高能粒子、中微子或甚高能/超高能伽馬射線的測(cè)量來(lái)間接尋找宇宙線源。

其中，甚高能/超高能伽馬射線來(lái)自比它能量更高的粒子，故可以用來(lái)示蹤這些高能粒子的起源、加速以及傳播機(jī)制，從而發(fā)現(xiàn)并研究宇宙高能粒子的加速器機(jī)制，是破解高能宇宙線起源這一“世紀(jì)之謎”的金鑰匙。

不到兩個(gè)月，在《自然》《科學(xué)》連發(fā)兩個(gè)成果，并迅速?zèng)_上全球科技期刊論文熱搜榜前1%……幾乎一夜之間，高海拔宇宙線觀測(cè)站（Large High Altitude Air Shower Observatory，簡(jiǎn)寫(xiě)為L(zhǎng)HAASO）成為國(guó)際科研領(lǐng)域的大熱門(mén)。而在此之前，作為全球宇宙線觀測(cè)方案之一，LHAASO 不僅很少被國(guó)際同行重視，還被一些人質(zhì)疑。

從最初遭冷言到之后被熱捧，這一轉(zhuǎn)變的背后有一位關(guān)鍵人物——LHAASO 首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所（以下簡(jiǎn)稱高能所）研究員曹臻。

起點(diǎn)

從云南大學(xué)本科畢業(yè)后，曹臻進(jìn)入高能所攻讀碩士學(xué)位，師從研究員譚有恒。

譚有恒是繼王淦昌、張文裕、何澤慧、肖健等科學(xué)家之后，我國(guó)的第二代宇宙線研究人員。他曾到日本留學(xué)，回國(guó)后致力為我國(guó)建設(shè)世界級(jí)宇宙線觀測(cè)基地。師從譚有恒，意味著曹臻要做實(shí)驗(yàn)物理研究。心心念念想做理論物理研究的曹臻，一邊接受著實(shí)驗(yàn)物理的訓(xùn)練，一邊倔強(qiáng)地給自己選了一堆理論物理的課程。

不久后，譚有恒遞給曹臻一張手繪草圖?！拔覀?nèi)グ阉龀鰜?lái)?！弊T有恒說(shuō)。草圖是譚有恒在參與國(guó)際同行討論時(shí)畫(huà)出來(lái)的，畫(huà)的是可以用在探測(cè)宇宙超高能光子陣列中的繆子探測(cè)器。

1986年，曹臻和他的同學(xué)們跟著譚有恒來(lái)到北京懷柔的一小片桃園里（現(xiàn)中國(guó)科學(xué)院大學(xué)校園內(nèi)），用56臺(tái)樣機(jī)嘗試搭建我國(guó)自己的宇宙線觀測(cè)陣列。就在此時(shí)，大洋彼岸的美國(guó)科學(xué)家也在猶他州廣袤干旱的沙漠性谷地上，開(kāi)啟了尋找宇宙超高能光子的計(jì)劃。

曹臻回憶道：“我當(dāng)時(shí)就像‘盜墓人’一樣，和工人們一起掘地3米，用來(lái)放探測(cè)器?！边z憾的是，因?yàn)榉浪疀](méi)做好，懷柔桃園里的小型繆子探測(cè)器樣機(jī)實(shí)驗(yàn)以失敗告終。而猶他州沙漠中的實(shí)驗(yàn)，卻成為宇宙線研究領(lǐng)域一度享有盛名的卡薩米亞（CASA-MIA）實(shí)驗(yàn)。

盡管最初的嘗試失敗了，那段經(jīng)歷卻讓曹臻看到了實(shí)驗(yàn)物理的魅力。“令人著迷。一旦做進(jìn)去了之后，就會(huì)覺(jué)得這個(gè)東西非常有趣?！辈苷檎f(shuō)。這次失敗也沒(méi)有讓譚有恒氣餒。最終，他聯(lián)合日本、意大利的科學(xué)家，發(fā)起“西藏計(jì)劃”，并在西藏當(dāng)雄建成了羊八井國(guó)際宇宙線觀測(cè)站。

高山

1992年，曹臻成為羊八井國(guó)際宇宙線觀測(cè)站的第一位值班人員。在海拔4300米的羊八井，大自然以最不動(dòng)聲色的方式，給他狠狠上了一課：“缺氧、暈厥、失眠。我一輩子都會(huì)在高山上，但這第一次就把我‘放翻’了，讓我知道了高山的厲害。”

對(duì)宇宙線研究者來(lái)說(shuō)，他們除了要爬現(xiàn)實(shí)中的高山外，還要和所有科學(xué)家一樣，攀爬科學(xué)的高峰。1994年，依然對(duì)理論物理研究念念不忘的曹臻博士畢業(yè)。這時(shí)，一直沒(méi)有跟風(fēng)出國(guó)的他，還是決定去國(guó)際前沿的物理研究實(shí)驗(yàn)室看一看。他前往美國(guó)俄勒岡大學(xué)物理系，以研究助理的身份開(kāi)展理論物理研究。

3年半后，他如夢(mèng)初醒般發(fā)現(xiàn)，自己的心早已被宇宙線實(shí)驗(yàn)物理牽走。于是，他前往猶他大學(xué)，參與了當(dāng)時(shí)國(guó)際最大的宇宙線實(shí)驗(yàn)之一 ——HiRes 的實(shí)驗(yàn)研究。他做的第一個(gè)課題就是分析HiRes 與同在猶他州的CASA-MIA 實(shí)驗(yàn)的聯(lián)合觀測(cè)數(shù)據(jù)。

那段時(shí)間，曹臻不僅發(fā)現(xiàn)了宇宙線能譜第二膝現(xiàn)象，還參與了一項(xiàng)重要發(fā)現(xiàn)——宇宙線能譜在10萬(wàn)拍（1拍=1000萬(wàn)億）電子伏處存在GZK 截?cái)喱F(xiàn)象，那是宇宙線穿越宇宙大爆炸遺留的“迷霧”（微波背景輻射）后，到達(dá)地球時(shí)的最高能量。穿過(guò)“迷霧”的光子，能夠到達(dá)地球的最高能量應(yīng)該在1拍電子伏。

然而，現(xiàn)實(shí)卻是，人類目前測(cè)到的最高能量光子在0.1拍電子伏以下?！懊髅鬟€有10倍的空間，為啥就會(huì)有這個(gè)‘極限’呢？”曹臻心里納悶。“宇宙這么復(fù)雜，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)探索之前你是不知道的?！辈苷閷⒃驓w結(jié)為探測(cè)手段有局限。像所有實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家一樣，他開(kāi)始盼望著能有一個(gè)更高性能的探測(cè)設(shè)備，幫助人類沖破多個(gè)極限，看清宇宙。

對(duì)手

2003年，盡管猶他大學(xué)向曹臻提供了副教授職位，旅美近10年的曹臻還是選擇回到久別的高能所、羊八井?；貒?guó)后，曹臻成為羊八井的中意合作ARGO-YBJ 實(shí)驗(yàn)的中方負(fù)責(zé)人。在他的領(lǐng)導(dǎo)下，羊八井的中意實(shí)驗(yàn)建成全覆蓋式大型空氣簇射陣列，并產(chǎn)出系列科研成果。

2008年，曹臻接到高能所通知：“國(guó)家在開(kāi)展‘十二五’規(guī)劃，你們可以考慮提一個(gè)大的宇宙線項(xiàng)目?！?0多年積累的想法，頓時(shí)在曹臻的腦海里翻涌起來(lái)。冷靜下來(lái)后，曹臻帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)篩選出當(dāng)時(shí)最具可行性的想法——將地面粒子探測(cè)與切倫科夫望遠(yuǎn)鏡探測(cè)手段結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多能區(qū)覆蓋。之后，他們又在方案中增加了水切倫科夫探測(cè)器，以使整個(gè)項(xiàng)目同時(shí)覆蓋高、中、低3個(gè)能區(qū)。這一想法最終變成了高海拔宇宙線觀測(cè)研究的中國(guó)方案——LHAASO。

“能探測(cè)到的粒子能量越高，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象的可能性也就越大。”曹臻介紹道。此時(shí)，他面臨兩個(gè)強(qiáng)勁的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)者——?dú)W洲科學(xué)家提出建設(shè)由100多臺(tái)望遠(yuǎn)鏡組成的切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列（CTA）計(jì)劃，美國(guó)科學(xué)家則提出了高海拔水切倫科夫觀測(cè)（HAWC）計(jì)劃。

2009年，當(dāng)曹臻第一次在國(guó)際會(huì)議上分享LHAASO 計(jì)劃時(shí)，國(guó)際同行的目光都聚焦在歐洲和美國(guó)的計(jì)劃上。不僅如此，還有一些人質(zhì)疑LHAASO：“0.1拍電子伏就是極限，你們花這么多錢建這個(gè)東西，沒(méi)準(zhǔn)兒將來(lái)什么也看不見(jiàn)?！?/p>

LHAASO是我國(guó)第3代高山宇宙線實(shí)驗(yàn)站，不僅是目前國(guó)際上最先進(jìn)的地面宇宙線探測(cè)站，更能夠長(zhǎng)期占據(jù)這類實(shí)驗(yàn)研究領(lǐng)域的制高點(diǎn)。這張捕捉光子“大網(wǎng)”的一個(gè)個(gè)節(jié)點(diǎn)，是布置在地面上的5216個(gè)粒子探測(cè)器和1188個(gè)繆子探測(cè)器，“大網(wǎng)”的中心是占地7.8萬(wàn)平方米的水切倫科夫探測(cè)器，其外側(cè)是18臺(tái)廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡

方案

面對(duì)質(zhì)疑和冷言，曹臻心里憋著一股勁兒：“中國(guó)方案必須靠實(shí)力來(lái)證明自己。”

在國(guó)內(nèi)同行的共同努力下，LHAASO 方案越做越細(xì)。他們與地方政府反復(fù)溝通，把LHAASO 定在了四川稻城海拔4410米的海子山上，并在充分考慮工程建設(shè)環(huán)境的條件下設(shè)計(jì)出實(shí)施方案。高原瞬息萬(wàn)變的氣候、海子山布滿巨大漂礫的復(fù)雜地貌，讓他們?cè)谧畛踉O(shè)計(jì)時(shí)放棄了陣列核心區(qū)域局部范圍的繆子探測(cè)器。

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，缺失的陣列面積雖然不大，但影響不小。他便帶領(lǐng)施工建設(shè)團(tuán)隊(duì)，在工程現(xiàn)場(chǎng)勘察，幾易施工方案，最終，在冰積隴上補(bǔ)齊了缺失的陣列。

高原冬季寒冷，混凝土施工無(wú)法進(jìn)行，曹臻等人便提出“邊建設(shè)，邊局部陣列運(yùn)行”的思路。這也意味著，作為項(xiàng)目經(jīng)理和首席科學(xué)家的曹臻，要做大量的調(diào)度和協(xié)調(diào)工作。那段時(shí)間，曹臻經(jīng)常通宵達(dá)旦地工作，因?yàn)椴环判墓こ态F(xiàn)場(chǎng)，他高頻次往返成都、稻城。在現(xiàn)場(chǎng)協(xié)調(diào)各項(xiàng)工作時(shí)，他和學(xué)生、工人們一起安裝、調(diào)試。這些辛苦，曹臻很少公開(kāi)說(shuō)。“這不是我應(yīng)該做的事嗎？”曹臻聳聳肩。

孩子

2021年5月17日，LHAASO 國(guó)際合作組在《自然》發(fā)表成果。他們?cè)阢y河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)大量超高能宇宙加速器，推翻了此前學(xué)界的判斷，由此開(kāi)啟“超高能伽馬天文學(xué)”時(shí)代。不到兩個(gè)月，他們又在《科學(xué)》上發(fā)表成果，精確測(cè)量高能天文學(xué)標(biāo)準(zhǔn)燭光的亮度，挑戰(zhàn)高能天體物理中電子加速的“標(biāo)準(zhǔn)模型”。

兩次發(fā)布會(huì)上，曹臻都是發(fā)言人。他樂(lè)呵呵的大嗓門(mén)，讓人很難把年近60歲的他與“花甲之年”這種詞聯(lián)系在一起。

這些成果讓國(guó)際同行震驚。曾質(zhì)疑過(guò)LHAASO 的科學(xué)家，紛紛向曹臻申請(qǐng)開(kāi)展國(guó)際合作。國(guó)際科技期刊上也隨之大量出現(xiàn)超高能伽馬射線的研究，只要涉及超高能伽馬射線研究，必提LHAASO。隨著疫情消退，各種系列研究大會(huì)、研討會(huì)紛紛重啟，對(duì)LHAASO 的各種邀請(qǐng)紛至沓來(lái)。

2021年7月，LHAASO 完成全陣列建設(shè)并投入運(yùn)行。而此時(shí)，曾被認(rèn)為是高能伽馬射線天文學(xué)大熱門(mén)的歐洲的CTA 計(jì)劃，只建成了1臺(tái)望遠(yuǎn)鏡；美國(guó)的HAWC 計(jì)劃，探測(cè)器性能遠(yuǎn)不及LHAASO?！俺酥袊?guó)，其他地方都不可能如此迅速地實(shí)現(xiàn)LHAASO 計(jì)劃?！辈苷檎f(shuō)，光是LHAASO 的基建工程量，就足以讓歐美國(guó)家望而卻步。

對(duì)待LHAASO，曹臻就像對(duì)待自己的孩子一樣，不管它有多成功，他總是不放心。隔三岔五，他就“上山轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)”，看看數(shù)據(jù)運(yùn)行情況好不好、線纜有沒(méi)有松、裝著探測(cè)器的水池外殼有沒(méi)有壞……作為中國(guó)第3代宇宙線研究者，即將到退休年齡的曹臻，也已經(jīng)把LHAASO 和從LHAASO 成長(zhǎng)起來(lái)的第4代、第5代宇宙線研究者的未來(lái)安排得明明白白。

按照他的籌劃，望遠(yuǎn)鏡陣列團(tuán)隊(duì)未來(lái)可以在LHAASO 上再建32臺(tái)望遠(yuǎn)鏡，讓LHAASO 有能力識(shí)別超高能宇宙線的發(fā)射位置，進(jìn)一步逼近最終的答案；地面粒子探測(cè)器陣列團(tuán)隊(duì)，未來(lái)可以通過(guò)國(guó)際合作，去南半球建一個(gè)比LHAASO 大4倍的觀測(cè)站，覆蓋與LHAASO 不同的天區(qū)；水切倫科夫探測(cè)器團(tuán)隊(duì)未來(lái)可以建一個(gè)在湖底或海底的探測(cè)器陣列……

“未來(lái)的幾十年，中國(guó)宇宙線研究團(tuán)隊(duì)都有活兒干?！辈苷橛忠淮巫孕哦实匦Φ?，“該退休的時(shí)候我就退休。”