“拉索”開啟高能宇宙觀測新窗口

約20 億年前，在遙遠的宇宙深處，一顆20 倍太陽質量的恒星走到了生命盡頭，以一種極為壯烈的方式——超新星爆發，向宇宙宣告了它的終結。2022 年10 月9 日，這次爆發所迸發的伽馬射線暴抵達地球，在夜空中留下了耀眼的印記。

千年難遇

這次伽馬射線暴有多罕見？答案是千年難遇。

沒看清楚

全世界多個觀測站捕捉到了這個大事件，然而，過高的光子流量讓許多國家的探測器都出現飽和效應，造成了儀器的短暫失靈或數據堆積，大量細節沒有得到有效的觀測和記錄。

轉到了背面

在這次爆發期間，歐洲科學團隊建造的專門用于探測宇宙線的MAGIC 大氣切倫科夫望遠鏡，剛好背對伽馬射線暴來的方向，痛失觀測良機。

白云翔博士

中國科學院高能物理研究所高級工程師，天府宇宙線研究中心常務副主任。參加中國首臺高能宇宙線τ 中微子望遠鏡研制，參加“十二五”國家重大科技基礎設施高海拔宇宙線觀測站工程、“十三五”科教基礎設施宇宙線物理與探測技術平臺建設。長期從事高能物理實驗研究和大科學創新戰略研究。

最佳觀測

位于中國四川省稻城縣海子山的高海拔宇宙線觀測站——“拉索”（LHAASO），不僅全程記錄了這場持續數百秒的“宇宙煙花秀”，并且它的多個探測器陣列準確捕捉了高能伽馬光子的豐富信息。考慮到這次伽馬射線暴如此罕見，科學界認為：“拉索”的觀測成果將是未來數十年甚至上百年內最佳的。

來自宇宙的\" 粒子陣雨\"

宇宙線中的高能粒子以光速或接近光速的速度穿越宇宙，其中一些穿過地球大氣層。

與空曠的太空相比，地球大氣里的物質密度高太多了，空氣中的原子核很容易被宇宙線中的高能粒子撞擊，從而產生大量次級粒子。

這樣的過程不斷重復，次級粒子的數量變得越來越多，仿佛在天空降下一片“粒子陣雨”。

在這些“粒子陣雨”中，我們可以找到包括強子、電子、光子以及μ 子在內的各種粒子。每一秒，都有數百個甚至上千個μ 子穿透你的身體，但不會對你造成任何影響。通過探測這些次級粒子，我們就能反推宇宙線的初始信息和源頭。

宇宙線就像宇宙中穿行的“信使”，為我們捎來遙遠宇宙的物質和信息。

宇宙線是如何被發現的？

1912 年，奧地利物理學家維克多·弗朗西斯·赫斯帶著三臺靜電計，乘坐熱氣球上升至5350 米的高空進行測量。他發現高空中的空氣電離率是地面的四倍，這表明有一種高穿透力的射線從上部進入大氣層。

在1913 年到1914 年間，德國物理學家柯爾霍斯特重復了赫斯的實驗，他的氣球更是上升到了驚人的9000 米高度。他和赫斯的實驗被人們視為宇宙線發現的里程碑，從此以后，高海拔和空間實驗與宇宙線研究結下了不解之緣。

威爾遜云室

人們可以通過一個由玻璃罐、毛氈、干冰和過飽和的醇類制成的云室來觀察宇宙線。當μ 子穿過云室，會在經過的路徑產生離子（通過電離作用），過飽和蒸氣以離子為核心凝結成小液滴，從而顯示出μ子的移動路徑。

宇宙線——天然粒子物理實驗室

赫斯的發現開啟了一個新的時代——通過研究宇宙線，大量基本粒子被發現。

1932 年，安德森從宇宙線中發現了正電子，這使我們對正反物質世界的認識更進一步。

1937 年，安德森和尼德邁爾利用云室在宇宙線中發現了μ 子。

1947 年，鮑威爾在高空核乳膠中發現了湯川秀樹在1934 年預言的能傳遞強相互作用的π 介子。

類似的重大發現還有許多。這一連串的發現，都是在探索宇宙線的道路上取得的重大成就。

宇宙線是研究宇宙的“一手資料”

今天，我們更關注宇宙線本身，因為它們展現的是一個動態的、充滿活力的宇宙，其中涉及的能量超級高。就拿最強大的宇宙線粒子來說，它的能量是歐洲核子研究中心的大型強子對撞機產生的高能質子能量的一千萬倍，這讓我們好奇：怎樣的“宇宙加速器”，才能把粒子加速到如此高的能量？要回答這個問題，第一步就是從錯綜復雜的爆發天體中確定哪些才是宇宙線的加速源，這正是“拉索”的核心科學目標。

要建設我國自主的宇宙線觀測站

早在20 世紀50 年代，我國就開始了對宇宙線的研究。但受制于制造能力和經濟基礎，我國在很長一段時間里無法自主建設大規模、高水準的宇宙線觀測站。20 世紀80 年代建成的羊八井國際宇宙線觀測站，無論是探測器設計和建造，還是論文撰寫和發表，都無法實現中方主導。缺少自主的大規模、高水準宇宙線觀測站，導致我國的宇宙線研究在長時間里只能扮演“跟跑”的角色，這讓我國的科研人員心里憋著一股勁。

宇宙考古

四川省稻城縣海子山這個曾經人跡罕至的地方，如今已成為科學家追尋宇宙線奧秘的重要場所。在這里，“拉索”以其獨特的地理優勢和先進的科研設施，不斷捕捉著來自宇宙深處的微弱信號，為我們逐步揭開宇宙線的神秘面紗。

曹臻院士自2013 年起擔任“拉索”項目的首席科學家。他不僅是該項目的提出者，也是工程建設領導者。用曹臻院士的話來說，“拉索”要做的就是“去考宇宙的古”。

獨特的選址

越高的地方，越有利于探測宇宙線。進入大氣層的高能宇宙線非常容易和空氣中的原子核發生反應，產生次級粒子，引發簇射級聯現象；不同能量，不同種類的粒子，級聯的形態也各有不同。

有人說，觀測站越高越好。那為什么不在太空直接觀測宇宙線？實際上，我們的確是雙管齊下，在太空、地面同時觀測宇宙線。但太空觀測設備就像一個個小臉盆，而超高能量的宇宙線又極其稀少，幾乎“接”不住幾個。因此，只有在地面才有可能布置面積更大的探測器陣列，接收到更多的宇宙線事例。觀測站所處的高度跟我們要探測的粒子能量也有直接關系。

規模要大

除了位置高，規模大是“拉索”相比其他宇宙線觀測裝置的另一大優勢。宇宙線進入地球大氣層后會產生大量的次級粒子，像一場陣雨降落在地面，原初粒子能量越高，陣雨覆蓋面積就越大，這就要求“拉索”必須具備較大的探測面積來收集這些次級粒子。探測器規模大也有利于科研人員在短時間內收集到更多的宇宙線事例，因此，“拉索”的巨大規模就顯得尤為重要。

“拉索”的探測器覆蓋面積約為1.36 平方千米，相當于兩個故宮的面積。此外，“拉索”還結合了多種探測手段。

為何選中稻城海子山？

在青藏高原的懷抱中，海子山以其壯觀的古冰體遺跡和豐富的冰蝕地貌著稱，山上散布著一千多個寧靜的海子（高山湖泊），冰川巨石遍布其間。海子山空氣稀薄，氣候嚴酷，每年十月份開始，這里的氣溫就徘徊在冰點左右。為什么“拉索”選址會定在自然條件如此嚴酷的山頭上？

為了選址，“拉索”團隊耗時5 年，跑遍西藏自治區、青海、云南、四川等地，才最終確定了位于四川省稻城縣的海子山。那里的綜合條件是所有候選站址中最優秀的。

除了前文提到的科學觀測上的優勢，還有工程實施以及科學運行上的長遠考慮。海子山交通條件便捷，離國道僅數百米，距離稻城亞丁機場也不過十余千米，大大方便了人員與物資的運輸。光纖網基礎設施確保了海量數據的即時收集與傳遞。海子山山頂地勢平緩，最大高低差僅有三十米，有利于探測器陣列的精準布局與安裝，保證觀測的統一性和準確性。此外，這里的水資源也很充沛，是探測器建造所需的重要介質。

四大優勢

相比其他宇宙線觀測裝置，“拉索”具有四大優勢：

大視場：“拉索”就像一個超級大的望遠鏡，它可以同時看到很大一片天空，這樣就能捕捉到更多的宇宙線事件。

全天候：不管白天還是晚上，也不管天氣好壞，“拉索”都能持續工作，這樣就不會錯過任何重要的宇宙線信號。

低閾能：“拉索”能觀測到能量很低的宇宙線，這意味著它能發現更多種類的宇宙線，包括那些能量不高但數量眾多的宇宙線。

高靈敏度：“拉索”的觀測能力非常強，能夠捕捉到非常微弱的宇宙線信號，就像一只超級敏感的耳朵，能聽到遠處的微小聲音。

宇宙線探測，首選宇宙線中的電中性粒子

宇宙線中絕大多數屬于帶電粒子，它們會受磁場干擾，從而偏離最初的方向。因此，要想通過宇宙線確定它們的起源，最好的“信使”是高能伽馬光子和中微子這類不會受磁場干擾的電中性粒子。但問題是，這些中性粒子的數量非常稀少，需要探測器有很強的分辨能力，才能把光子從背景噪聲中挑出來。

除了電中性粒子之外，能量非常高的帶電粒子受磁場影響較小，也可以用來探究其源頭。

艱難的建設

在2015 年之前，海子山是連牦牛都罕至的靜謐之地。然而，隨著“拉索”這一偉大科學工程的啟動，一切都發生了變化。來自四面八方的近百名科研人員、二十多個高等學府和研究院所的專家以及四十多家企業的工程師，紛紛投身于這場科學探索的征途。

參與“拉索”建設的人，首先要面對高原反應。最初來的一批工人中，大約50% 因為高原反應太劇烈離開了項目。留下來的人，克服了高原反應、低溫和強烈紫外線，只用半年的時間就完成了一年的工程量。在“拉索”建設的高峰期，現場有約600 人。

“拉索”大科學裝置觀景臺下的一塊牌子上，寫著這樣一句話：“無論有多大的困難，都要去克服，再困難還要去克服。克服就是要去做這個做不了的事情。”

半年的高原高強度工作，使一位東北小伙的臉上留下了蒼老的痕跡。他卻說：“在這里我待得非常難受，但是能給國家做事情，我非常自豪。”值得一提的是，在如此艱苦的環境下，來到“拉索”的科研人員沒有一個借口環境惡劣而離開。

無法預期的發現接踵而至

耗時7 年，中國人最終將“拉索”成功布置在海子山海拔4410 米處。起初，曾有外國專家質疑“拉索”，但“拉索”人始終堅信，性能卓越的“拉索”一旦“開眼”，宇宙的神奇永遠超乎常人的想象。

“拉索”項目打破了等科學裝置建成后才啟動的傳統科研方式，采用了一種創新的“邊建設邊運行”模式。自從它矗立在這片高寒之地起，它就不斷地回饋給我們以驚喜，基于“拉索”的觀測結果，帶來了源源不斷的重大科學發現和研究成果。

2020 年1 月，只完成一半建設進度的“拉索”收集到了最高能量為1.4 拍電子伏特的伽馬光子，這個能量相當于醫院X 射線能量的1000億倍，是迄今觀測到的能量最高的光子。基于這個發現，“拉索”的科學團隊發現銀河系內普遍存在拍電子伏特加速器。這項發現被《自然》雜志評為“真正的突破”和“新時代的開始”。

在“拉索”項目完成國家驗收前，我國科學家基于“拉索”數據發表的期刊論文數量已經多達215 篇。在高能宇宙線探測領域的國際會議上，中國科學家的發現和成果占據主流。在一次于西班牙召開的學術會議上，外國科學家對中國科學家抱怨說：“這不公平，老天爺對你們太眷顧了。我們努力了20 年，什么也沒看到。”

對于這種言論，曹臻院士認為，正是因為我們擁有最靈敏的探測器，所以我們能夠取得最杰出的發現，而在這一切的背后，是無數人默默的付出。

如今，已有超過30 個國內外研究機構加入“拉索”的合作組中，共同開展研究。“拉索”已經建成運行，并取得了多項重大成果，但探索永無止境。“我們計劃在‘拉索’上再建一個由32 臺望遠鏡組成的陣列。這個陣列建好之后，‘拉索’相當于又增加了一雙‘火眼金睛’，將具有超高能宇宙線發射位置的識別能力，進一步逼近最終的答案。”曹臻院士說。

“拉索”再一次驗證了相對論時空對稱的正確性

按照現有理論，如果洛倫茲對稱性在高能端破壞，高能光子會快速衰變為一對正負電子對或者衰變為3 個伽馬光子。換句話說，高能量的光子在飛往地球的旅程中就自動消失了！對于我們在地球上的觀測者來說，即使天體源已經發出了能量更高的光子，我們測量到這個天體的光子能譜也在這個特定的能量就忽然截斷了。而根據“拉索”的觀測數據顯示，目前的伽馬射線譜到拍電子伏以上都是一直向高能延續的，并沒有發現任何高能伽馬事例“神秘”消失的現象，表明洛倫茲對稱性在接近普朗克能標下仍然是正確的。

“拉索”發現巨型“伽馬泡泡”，確認首個超級宇宙線加速源

2024 年2 月26 日，我國科學家基于“拉索”的數據，取得驚人成果。在 “天鵝座”的恒星形成區，發現了一個巨型的超高能伽馬射線泡狀結構。

這個泡狀結構的中心距離地球約5000 光年，直徑約1000 光年。通過深入研究，在“伽馬泡泡”內分布有多個能量超過1 千萬億電子伏的光子，最高達到2 千萬億電子伏。一般來說，產生能量為2 千萬億電子伏的伽馬光子，需要能量至少高10 倍的宇宙線粒子。這表明“泡泡”內部存在超級宇宙線加速器，源源不斷地產生能量至少達到2 億億電子伏的高能宇宙線粒子。有足夠證據表明，“伽馬泡泡”里面隱藏著超高能宇宙線加速器。

有人會問：為什么要如此費力修建“拉索”？探索未知世界并發現自然規律是推動科學不斷前進的原動力，“拉索”的作用就是幫助人類向科學更前沿邁進。“拉索”就像一座高聳的瞭望塔，通過它，我們隨時守望遙遠宇宙傳來的消息——可能是關于宇宙的起源、一次攪動時空的劇烈宇宙事件，或是關于宇宙的未來。