东西问丨曹臻：中国“拉索”何以引领宇宙线研究国际前沿？

2023-05-17
小编: 作者：田博群
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导读: “拉索”的特色和优势，目前可以概括为在三个方向上达到世界领先，也就是创造出三项“世界之最”。

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　　中新社成都5月16日电题：中国“拉索”何以引领宇宙线研究国际前沿？

　　——专访“拉索”首席科学家、中国科学院高能物理研究所研究员曹臻

　　中新社记者孙自法

　　聚焦宇宙线起源“世纪之谜”、已经拉开“超高能伽马天文学”时代大幕的中国国家重大科技基础设施——位于四川稻城海拔4410米的高海拔宇宙线观测站(英文缩写LHAASO，中文昵称“拉索”)，5月10日顺利通过国家验收，正式迈入全面开放运行阶段。

　　中国为什么要建设“拉索”、它有哪些特色与优势、将如何引领宇宙线研究国际前沿并开展国际合作、未来进一步发展有什么规划……“拉索”项目工程经理、首席科学家、中国科学院高能物理研究所(中科院高能所)研究员曹臻近日在成都的天府宇宙线研究中心，接受中新社“东西问”专访，对备受瞩目的大科学装置“拉索”进行科普解读。

　　现将访谈实录摘要如下：

　　中新社记者：中国为什么要建“拉索”？与国外同类装置相比，中国“拉索”有何特色与优势？

　　曹臻：宇宙线携带着宇宙起源、天体演化、太阳活动及地球空间环境等重要科学信息，研究宇宙线及其起源是人类探索宇宙的重要途径。宇宙线自110年前发现研究至今，仍然是一门“年轻”的学科，尚未形成一个“标准模型”完整地描述其起源、加速及星际空间传播的机制，宇宙线起源这一“世纪之谜”也被国际物理学界列为“新世纪11个科学问题”之一。

　　对于由实验主导的宇宙线研究领域来说，需要新一代的探测器以前所未有的灵敏度来开创一个新的时代。在21世纪第一个10年，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的阵列(CTA)计划；美国选择了一条通过升级改造实现适度提升灵敏度的高海拔水切伦科夫探测器(HAWC)计划；中国则提出建设“拉索”的计划，正式参与这场全世界范围内的科学发现比拼。

　　作为中国自主提出并设计、建造的新一代伽马射线望远镜和宇宙线探测装置，“拉索”以探索高能宇宙线起源并开展相关高能辐射、天体演化以及暗物质分布等基础科学研究为核心目标，它占地面积约1.36平方公里，由5216个电磁粒子探测器和1188个缪子探测器构成的1平方公里地面簇射粒子探测器阵列、7.8万平方米的水切伦科夫探测器阵列、18台广角切伦科夫望远镜等三大阵列组成，采用4种探测技术，可全方位、多变量地测量来自于高能天体的伽马射线和宇宙线。

　　至于“拉索”的特色和优势，目前可以概括为在三个方向上达到世界领先，也就是创造出三项“世界之最”：世界上最灵敏的超高能伽马射线探测装置，意味着能看到最多的可能性和开展最精细的研究；世界上灵敏度最高的甚高能伽马射线源巡天普查望远镜，可对宇宙进行“普查”，找到更多的“源”；能量覆盖范围最宽的超高能宇宙线复合式立体测量系统，可对到达地球的宇宙线及粒子，做精细的区分并进行最宽广能谱的测量，从而对宇宙线相关问题进行非常充分的研究。

海拔4410米的大科学装置“拉索”。孙自法摄

　　中国“拉索”建成运行，正以前所未有的伽马射线探测灵敏度，将伽马天文的研究带入人类从未观测过的新波段，继“甚高能伽马射线天文学”活跃30年之后，开启并引领人类进入“超高能伽马射线天文学”时代。

　　中新社记者：“拉索”从预研到立项建设再到建成运行，堪称“十多年磨一剑”，建设过程中突破了哪些关键技术？已取得哪些重大发现和研究成果？

　　曹臻：“拉索”项目建设完成多项关键核心技术攻关，主要包括四个方面：一是首次在大视场成像切伦科夫望远镜中大规模使用新型硅光电管，改变了这类望远镜不能在月夜工作的传统观测模式，实现有效观测时间的成倍增长；二是发展适应4000米以上高海拔野外工况的大面积、多节点、高精度时钟同步技术，远距离同步精度提升到0.2纳秒，达到国际领先水平；三是采用中国国产20英寸超大型光电倍增管，并将时间响应提高了3倍；把观测阈能从3000亿电子伏降低到700亿电子伏，大大扩展了观测能力；四是在海量数据获取技术上取得显著进步，发展并实现“无触发”数据获取；采用特殊的数据筛选技术，对海量数据进行无损压缩，实现实时数据传输。

　　由于“拉索”前所未有的超高能伽马射线探测灵敏度和宽阔的视场，引起伽马天文研究的革命性变化，仅在初步运行期间就已取得多项突破性的重大科学成果：“拉索”在银河系内发现12个超高能伽马光源，也就是超高能宇宙加速器候选天体，并记录到人类观测到的最高能量光子，达到1.4 PeV(拍电子伏，1拍=1千万亿)，开启了“超高能伽马天文学”时代；“拉索”还精确测定“标准烛光”蟹状星云的超高能段亮度，发现1拍电子伏伽马辐射，挑战理论极限。

　　同时，“拉索”建设期间即开展观测，并实现科学成果持续产出，截至目前，基于“拉索”项目发表的期刊论文累计215篇、会议论文156篇。“拉索”另有多项重要研究成果论文已被学术期刊接收，将于发表后对外公布。

夜空下的大科学装置“拉索”。孙自法摄

　　中新社记者：“拉索”项目设立的国际合作组如何发挥作用？迄今已取得哪些重要国际合作成果？这一大科学装置怎样既推动中国实现高水平科技自立自强、又开放服务世界造福全人类？

　　曹臻：“拉索”是一个比较典型的国际合作项目，在宇宙线、粒子天体物理等领域被国际同行誉为科研“金矿”，实际上其观测数据面向全人类，并通过全人类的共同研究来实现破解宇宙线起源之谜的最终目标。因此我们一开始就设计了国际合作组这样一种传统的合作组织方式，希望把国际上关注并能进行“拉索”项目相关研究的科学家和科研团队，都吸引进来合作开展科学研究。另外，我们自己也不可能包揽一切做所有事情，国际团队参与合作是一个非常好的解决方案。

　　当然，中外团队加入“拉索”国际合作组，也有一些必要的门槛设置来保证合作成效，其中就包括建立一个“能进能出”的评估机制，实现对国际合作组成员的动态优化调整。

　　另一种国际合作方式是吸引国际优秀人才来华加入“拉索”团队，直接到中科院高能所、天府宇宙线研究中心工作。正如中国俗话所说“栽下梧桐树，引得凤凰来”，由于“拉索”国际影响力不断扩大，国际科技人才特别是年轻科研人员现在已向“拉索”聚集，包括发出求职请求等。

　　“拉索”项目还充分发挥中科院建制化研究的优势，面向世界全面开放共享。目前，已有28个天体物理研究机构成为“拉索”的国际合作组成员单位，利用“拉索”观测数据开展粒子天体物理研究，同时进行宇宙学、天文学、粒子物理学等众多领域基础研究。随着通过国家验收投入正式运行，“拉索”也将成为以中国为主、多国参与的国际宇宙线研究中心，并借助高海拔伽马天文、宇宙线的观测优势，成为独具特色、综合开放的科学研究平台。

　　我们希望通过中国“拉索”引领国际合作，把深入开展宇宙线研究取得的成果，逐步变成认识宇宙的重要组成部分。

　　“拉索”已投入稳定的科学观测运行，正以超越上一代望远镜几十倍的超高能伽马射线探测灵敏度，雄踞世界之首，引领未来的伽马射线天文学研究的发展。相信在未来10年、20年内，全世界基于“拉索”观测数据开展分析研究，发表高水平科研论文，都将为人类进一步理解、解释宇宙作出中国贡献。

大科学装置“拉索”布设的探测阵列。孙自法摄

　　中新社记者：“拉索”顺利通过国家验收有哪些重要意义与深远影响？未来发展有何目标和规划？

　　曹臻：“拉索”的初步观测结果已经刷新了纪录，新现象层出不穷，并正在不断创造奇迹，向人们展现宇宙神秘的细节，引发革命性的思考。令人惊叹的是，目前发现仅仅用到“拉索”设计能力的几十分之一，随着“拉索”统计性的积累，未来还会有许多重要的、划时代的发现。这也将使得“拉索”在宇宙线研究史上，扮演一个推开蕴藏着谜底的密室大门的重要角色，宇宙中一个个“拍电子伏加速器”好比是锁着谜底的“百宝箱”，已经呈现在“拉索”面前。我们将不懈努力探索每一个“拍电子伏加速器”的超高能伽马辐射机制和粒子加速机制，直到完全揭开宇宙线起源之谜。

　　通过国家验收和全面开放运行后，“拉索”首要工作就是积累观测数据，确保未来10年、20年稳定运行，在此基础上组织科学团队开展深度科学研究，将“拉索”观测积累的纷繁复杂数据利用好、研究好，产出高水平科研成果。

科研人员在大科学装置“拉索”控制室工作。孙自法摄

　　“拉索”未来部署上主要有三个方向：一是要加强“拉索”目前尚不具有的某些方面能力，这个投入相对比较少，因为大科学装置已经建成，可以提供很多支撑；二是“拉索”要扩展新的未知领域，比如中微子天文研究方向；三是积极参与在南半球建“拉索”的大型国际合作，因为南半球位置的天区能看到银河系的中心，而北半球看不到，在南半球建“拉索”，就可以扩展“拉索”视野，并将两者发现的重大科研成果进行检验和对比研究。国际“南天大视场伽马射线天文台”(SWGO)项目已向中国“拉索”发出邀请，我们也组建了“中国SWGO合作团队”。