日前，基于我国高海拔宇宙线观测站（LHAASO，简称“拉索”）探测数据的论文被国际著名学术期刊《物理评论快报》选为“高亮论文”。历经七年建成的“拉索”，自2021年起就不断有重磅发现登上《自然》《科学》《物理评论快报》等杂志。
位于四川稻城海子山上，海拔4410米的“拉索”是我国自主提出、设计、建造的新一代伽马射线望远镜和宇宙线探测装置。作为110年来人类研究宇宙线的最大实验装置之一，它将伽马天文学研究带入了人类从未观测过的新波段。尚未完全建成时，它已发现了超过1PeV（拍电子伏特，P是1015）的超高能宇宙粒子。未来十几年，它将迎来更多宇宙发现的高光时刻，助力科学家拨开宇宙线起源的迷雾。
▲位于海拔4410米高原的高海拔宇宙线观测站“拉索”
看似空空荡荡的星际空间中，其实有无数肉眼无法看见的粒子以接近光速的速度在飞行。它们携带着各自诞生地的奥秘，穿行于星际空间，其中一些会“撞上”地球，留下极其细微的蛛丝马迹。它们就是宇宙线粒子。
自1912年确证宇宙线的存在，人类又多了一条探索宇宙奥秘的新路径。百余年来，人类不断突破宇宙线探测的能量极限，并对高能宇宙线进行溯源。随着高海拔宇宙线观测站“拉索”的正式运行，立身于青藏高原最大的古冰体遗迹——海子山上，这个方圆1.36平方公里的“大圆盘”，将从宇宙“洒”向地球的带电粒子中，发现宇宙深处的未知世界，助力中国粒子天体物理研究走向世界最前沿。
1PeV以上的宇宙不再“透明”
宇宙是透明的吗？人类能够看到宇宙的全部吗？对于物理学家而言，这样的问题并不容易回答。
1912年，奥地利物理学家维克托·赫斯乘坐气球飞到5300米高空时，探测到那里的电离率增长到大约地面的四倍，由此得出“一种高穿透力的射线从上部进入大气层”的结论。他因这一被后人命名为“宇宙射线”（又称“宇宙线”）的发现，获得了1936年诺贝尔物理学奖。
宇宙射线的能量可以有多高？我们人眼所能看见的可见光，其光子能量为几个电子伏特（eV）。太阳通过内部氢核聚变所产生的伽马射线，能量就达到了MeV（百万电子伏特，M是106）。而高能宇宙射线的能量却可达到GeV（十亿电子伏特，G是109）以上。
上世纪90年代，由美国发射的GRO（Gamma Ray Observatory）卫星探测器开启了GeV伽马天文学时代，大大拓展了人类认识宇宙的眼界。1989年，美国亚利桑那州惠普尔天文台成功发现了首个具有0.1TeV（千亿电子伏特，T是1012）以上伽马辐射的天体，标志着甚高能（一般指100GeV-100TeV）伽马射线天文学时代的开启。在随后的30年里，人类已经发现了超过两百个甚高能伽马射线源。2019年，中国西藏羊八井国际宇宙线观测站发表了迄今为止最高能区的弥散伽马射线辐射观测结果，其最高能量接近1PeV。
为何科学家对于超过1PeV的超高能粒子如此关注？从某种意义上说，这是对人类探索宇宙边界的又一次拓展。
宇宙大爆炸是20世纪天体物理的四大发现之一。在大爆炸百亿年之后，整个宇宙中弥漫着3K微波背景辐射。当PeV以上能量的光子遇到宇宙微波背景辐射中的这些低能光子时，就会发生碰撞，从而消耗能量。从理论上推断，宇宙微波背景辐射会吸收掉能量超过7万PeV的任何一种带电宇宙粒子或能量在1PeV以上的伽马射线——它就好像一堵墙，把人类赖以探索宇宙的伽马射线中超高能的部分挡住了。
▲“拉索”航拍图
“有个形象的描述：在1PeV以上，宇宙就不再是‘透明’的了。”“拉索”首席科学家、中科院高能物理研究所研究员曹臻说，就在2019年至2020年间，当时仅建成1/2规模的“拉索”用不到一年的观测数据，就将超高能伽马射线源数量提升到了12个，甚至发现了1.4PeV的伽马光子——这打开了人类探索极高能现象的前沿，同时也意味着基本物理规律可能被撼动。
迄今为止，人类在地球上建造的最大加速器（欧洲核子研究中心的大型强子对撞机LHC）只能将粒子加速到0.01PeV。而PeV射线的存在表明，在银河系内遍布着能够将带电粒子加速到PeV的天然加速器。
这些PeV天然加速器究竟在何方？它们又是如何加速粒子的？显然，科学家需要重新认识银河系高能粒子的产生、传播机制，进一步研究极端天体现象及其相关的物理过程，并在极端条件下检验基本物理规律。
超高能宇宙线的中国探索
宇宙线研究虽然始于110年前，但仍是一门“年轻”的学科，至今还没有一个“标准模型”完整描述其起源、加速机制、星际空间传播。这意味着还有大量的未解之谜需要科学家来解答。
然而，要寻找这样的超高能宇宙线是极其困难的。因为当它们进入大气后，就会与大气中的氧或氮原子核发生碰撞，一变二、二变四、四变八地引发“级联反应”（也称“簇射过程”）。科学家可以通过这些高能宇宙线在大气中或到达地面后留下的踪迹，反推出它们的存在。
▲簇射过程示意图（图片来源：NATURE）
百余年来，每一个划时代的探测器投入观测，由于其领先的探测灵敏度，都必然会带来新的发现，甚至开创一个新的研究时代。对于由实验主导的宇宙线研究领域来说，提升观测装备的灵敏度，成为各国在该领域竞争的一个焦点。
中国的宇宙线观测与研究起步于新中国成立初期。当时，王淦昌、张文裕、何泽慧、肖健等科学家回国，在云南昆明东川一座3200米的山峰上，建起了中国第一个宇宙线实验室——落雪站，开启了中国宇宙线观测研究。
上世纪80年代，留学日本的中国科学院高能物理研究所研究员谭有恒，在见到日本先进的综合性空气簇射阵列后，产生了在中国建设世界级宇宙线观测基地的想法。1989年，谭有恒等人提出在西藏建立第一代伽马天文学探测基地——羊八井宇宙线国际观测站。
在雪域高原坚守30年，羊八井观测站积累了丰厚的数据，发现了几十个伽马射线事件。“在那之后，我们基本处于国际第一梯队，但仍不算领先。”身为谭有恒的弟子，曹臻的思考更进一步，“如果国家再给一次比较大的支持，我们能不能达到国际领先？”
进入21世纪的第一个十年，世界各国纷纷提出下一代伽马天文观测大科学装置计划：欧洲国家提出建造100多台切伦科夫望远镜组成观测阵列的计划；美国则选择了一条通过升级改造来适当提高灵敏度的高海拔水切伦科夫探测器计划。
▲电磁粒子探测器团队在现场进行探测器定位工作。
中国怎么办？经过多年酝酿，建设中国第三代宇宙线观测装置——高海拔宇宙线观测站的“拉索”方案经过层层选拔后胜出。
2013年获得国家发改委批准立项，成为我国“十二五”期间建设的一项国家重大科技基础设施。
2015年，国家发改委批准“拉索”的项目建议书，标志项目在四川稻城海子山落地。
2016年，四川省发改委批准了配套设施项目的初步设计，并于当年5月动工。
2017年，主体项目初步设计获得中国科学院及国家发改委批准，决定建设由7.8万平方米水切伦科夫探测器、平方公里阵列（由地面闪烁计数器和地下缪子探测器组成）、切伦科夫望远镜阵列三个子阵列组合而成的复合型宇宙线/伽马射线探测大科学装置。
2021年7月，“拉索”正式建成。由3120个水切伦科夫探测器单元、5216个闪烁计数器、1188个缪子探测器、18台望远镜组成的完整阵列全部建成，并投入稳定运行。
在无人区挺进科研“无人区”
海拔4400多米的高山上，空气稀薄而寒冷。每年10月中旬，甘孜州稻城县海子山的气温就已降到0℃附近。高寒缺氧、气候恶劣、物资匮乏，在这片无人区建设观测站，意味着未来还有长年累月的值守。
不过，这一切在曹臻看来都非常值得。这是他和团队花费了五年，跑遍了西藏、青海、云南、四川等所有具备高海拔特征的区域，才找到的满足“天时地利人和”所有条件的“风水宝地”。
当高能宇宙线进入大气层，非常容易被大气吸收。因此，空气越稀薄的地方越适合建观测站。相对于低海拔站址，在高海拔地区更容易实现伽马射线的探测。然而，考虑到建设、值守难度等因素，海拔也并非越高越好。“随着全国性基础设施的大规模建设，机场、道路、数字光纤干线等迅速覆盖了不少高海拔区域，这为我们建设现代化伽马天文观测设施奠定了实实在在的基础。”曹臻说。
如今，从空中俯瞰“拉索”，最醒目的就是中间的“品”字形方块——水切伦科夫探测器阵列。这个探测器阵列约有2.5个“水立方”大小，是之前预研规模的300多倍。“这可以说是当之无愧的世界第一的水切伦科夫探测器。”曹臻说，仅仅八个月的观测，它就轻松超越了“世界第二”7年实验的累计灵敏度。
▲广角切伦科夫望远镜阵列
▲由电磁粒子探测器阵列和缪子探测器阵列组成的一平方公里阵列）
为充分利用观测资源，“拉索”采取了边建设、边观测的方式。平方公里阵列在建成1/2时，其灵敏度就超过了上一代探测器，把科学家带入了一个从未探索过的“无人区”，即能量超过0.1PeV的能量区间。经过11个月的观测，“拉索”发现了银河系内12个正在辐射0.1PeV以上光子的射线源，并将它们正式定名为“超高能伽马射线源”。
“拉索”的切伦科夫望远镜阵列，具有在PeV能区最精确的测量能力，能够精确测量1PeV宇宙线的成分及其能谱。“这在国际上也是独一无二的，‘拉索’是这个能区精度最好的实验装置。”中科院高能所粒子天体物理中心副主任姚志国告诉记者。
自建成至今，“拉索”团队几乎与世界上所有的中微子望远镜实验、甚高能伽马望远镜实验团队签下了研究合作备忘录。美国《天文学及天体物理十年规划》将“拉索”列为“世界领先的实验”，希望本国的切伦科夫望远镜阵列（CTA）和南天大视场伽马射线天文台（SWGO）能尽快建成，与“拉索”一争高下。
曹臻说，如今的“拉索”已经站到了一个新的起点上，这台最灵敏的超高能伽马望远镜，将挑战宇宙线研究的最前沿，也将成为更多国际合作的大舞台。
>>>“拉索”自主研发亮点
20英寸光电倍增管 打破国际垄断
俯瞰“拉索”大圆盘，最醒目的就是中间呈“品”字形的水切伦科夫探测器阵列。该阵列由两个150米×150米、一个300米×110米的水池构成，总面积达7.8万平方米，相当于2.5个国家游泳中心“水立方”。
水切伦科夫探测器利用水体来探测宇宙线产生的次级粒子。这些次级粒子进入水体中，会产生一种非常微弱的切伦科夫光。科学家通过收集这种光的信息，得到原初宇宙线的方向和能量信息。为了收集切伦科夫光，科学家在水池底部安装了3120个探测器单元，其中20英寸光电倍增管有2200多个——这是20英寸光电倍增管首次大规模应用于高能物理实验中。
▲科研人员在水切伦科夫探测器阵列内维修20寸光电倍增管
“拉索”所用的20英寸光电倍增管是世界上光阴极面积最大的光电倍增管。这种技术原本被国外垄断，全球仅一家公司能够生产。但在国内科研需求的驱动下，我国高技术企业在多个大科学装置科学家的协助下，成功打破了国际垄断，实现了该器件的国产化。这种光电倍增管原本用于江门中微子装置，为了让它适用于“拉索”，研发人员特地对其进行了改造，使它能够长年置于4.5米深的纯净水中，不仅防水，还能承受相当的水压。
硅光电倍增管 月夜也可工作
“拉索”项目成功研制出基于硅光电倍增管（SiPM）相机技术的宽视场成像大气切伦科夫望远镜，实现了SiPM技术在宽视场成像大气切伦科夫望远镜中的首次大规模使用。其中，SiPM总灵敏面积达到4.1平方米，彻底改变了这类望远镜不能在月夜工作的传统观测模式，成倍提高了望远镜有效观测时间。
SiPM是一种新型半导体型光电转换器件，具有单光子计数、偏置电压低、对磁场不敏感、结构紧凑等特点。经过强光照射后，返回至暗环境，SiPM的性能能够恢复到之前的状态，即在强曝光下SiPM不会损坏和老化。
SiPM相机是大气切伦科夫望远镜的“眼睛”。“拉索”中共有18台SiPM相机，每台相机像素高达1024个。当大气簇射中相对论带电粒子产生的切伦科夫光被反射到SiPM相机上后，会被转换成电信号，最终在SiPM相机上形成簇射事例图像。
时钟分配系统 精准到10纳秒
时钟分配系统为“拉索”阵列中所有的探测器提供同步的参考频率和绝对时间信息。在大范围分散分布、总共约300公里同步光纤连接长度、昼夜温差变化剧烈的野外条件下，该系统使6800个节点的时间同步精度达到亚纳秒级别，性能达到国际领先。同时，它作为探测器物理数据信息汇总和状态参数监控的网络，是连接探测器阵列和数据采集、阵列管理系统的骨干系统，能够长期稳定、全天候运行。
时钟分配系统使用定制的多端口时钟交换设备，采用分层结构与多达6800个探测器实现连接汇总。系统还配置了高精度的铷原子钟，作为频率参考源和全球导航卫星系统接收机时间参考源，时钟精度为10纳秒量级。
作者：许琦敏
图片：除注明外，均为中科院高能所提供
责任编辑：任荃
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