LHAASO项目首席科学家曹臻：“中国猎人”欲解宇宙线起源世纪之谜丨70年70人·科技⑩

人物名片

曹臻

1987年到高能物理所宇宙线研究室念研究生，1994获物理学博士学位。

现为高海拔宇宙线观测站项目首席科学家、中国科学院高能物理研究所研究员。

他带领我国宇宙线研究第四代人，怀着最原始的好奇心，欲解开宇宙线起源这个世纪之谜。

他们好像一群追逐永恒未知的马拉松跑者，身着的统一蓝色背心上，提醒着共同的身份和新的起跑点：“LHAASO,4410米”。

封面新闻记者 杨晨 刘开怡 田源

好奇心是一种最原始的动力。

从古代人抬头遐想并陆续提出天圆观、浑天说和地有四游，到伽利略发明第一台天文望远镜初识月球表面，再到实现登月的“一小步”以及各种飞船上天入地，人类永远带着敬畏猎奇未知。

在位于四川西南边缘，平均海拔4500米的海子山上，除了镶有1145个与苍穹辉映的湖泊外，还有一座位于海拔4410米、占地1.36平方公里的探测站正逐渐张开它的“眼睛”，企图捕捉更多天外“来客”。

这座高海拔宇宙线观测站（Large High Altitude Air Shower Observatory，简称LHAASO，音译“拉锁”）自2017年破土动工后，至今已有约四分之一规模实现了科学运行。作为“十二五”国家重大科技基础设施项目，其核心目标是探索高能宇宙线起源以及相关的宇宙演化、高能天体演化和暗物质研究。

探索的背后，项目首席科学家曹臻带领我国宇宙线研究第四代人，怀着最原始的好奇心，肩负着无穷的使命感，脚蹬泥路又不忘仰望星空。

宇宙无限，信使有痕。

作为来自外太空的唯一物质样品，宇宙线（又称宇宙射线）很可能携带着关于重大天体演化：例如宇宙深处爆炸突变、中子星碰撞以及宇宙早期活动等信息。

其是来自宇宙的高能粒子流的总称，成分包括质子和各种原子核、还有少量的光子、中微子、电子等。这些来自宇宙空间的高能射线不断降落在地球，原初宇宙射线的粒子在穿过地球的“保护膜”大气层时，与大气原子核碰撞后又不断产生“子子孙孙”——次级粒子，在空中形成一阵“宇宙射线雨”。这也被称为广延大气簇射。

百年来，业界一直企图“捕捉”和研究这些“阵雨”，以了解光年外的世界：宇宙线是如何产生的，具体哪个地方发出的，为何会加速这么高的能量……

1949年，以研究高能物理粒子为目的，我国开始了在这一领域的探索。那时，曹臻口中第一代研究者张文裕留美归国后，着手在云南东川的落雪山上建立实验室，使用传统的云雾式探测器进行研究。不过到了上世纪70年代，实验室才进入“可用的状态”，又被其他国家横空出世的大型加速器实验给比了下去。

上世纪八十年代末，第二代探索者接力，开始申请启动西藏羊八井探测站建设。但与合作方日本相比，“实力”稍显悬殊。当时，日方投入的科研费达到约四千万日元（相当于当时200余万人民币），中方仅有20万元的启动资金。“那个时候我们什么都不会，也没钱买设备，能提供的就是人力和地方。”曹臻印象中，中方负责羊八井基地建设，日方则提供阵列设备。1990年元月，拥有45个探测器的羊八井一期小阵列和羊八井观测站初步建成。

不久后，已是高能物理所宇宙线研究室研究生的曹臻，进入羊八井当上了值班观测人员。“感觉就是去当助手，根据观测数据写成并拿到国际上发表的文章，都是由日方主导。”而且羊八井的经费并不能支撑一个后勤班子的运营，所有的运输、采购、基建等都由科研人员承担。

“但在2000年时，我们就迎来了‘平等’的合作。”曹臻所指的即是意大利国家核科学院（INFN）与高能所合作的羊八井ARGO项目。“从建设到研究，双方不管是在经费，还是研发人力的投入，以及最后科学论文的完成发表上，都按‘1：1’的比例合作分配。”

经过“陪跑”到“平等”参与的这三十年，曹臻认为中国宇宙线的研究已沉淀出了底气。“加上国家对科技的重视和投入，我们在2009年提出建立如LHAASO这样的研究计划。”

在国务院发布的《国家重大科技基础设施建设中长期规划（2012-2030年）》中，高海拔宇宙线观测站项目被列为16个优先安排的重大项目之一，并于2015年12月31日获得国家发改委批准立项。曹臻形容，从投入规模上讲，其可以在宇宙线研究百年历史上排第二，仅次于美国在南极建起的“冰立方”中微子探测器。

2017年，LHAASO项目在稻城县海子山上破土动工。

俯瞰LHAASO

曹臻的角色发生了变化。如今他被项目研究人员称为“曹总”，是项目首席科学家，同时也是展示LHAASO成就或召集对接国际合作的经理人。一旦不用辗转于各种研讨、会议，他就回到海子山当“监工”，管理范围从整个工程的进度到地下管道埋放的深浅。

如今在海拔4410米低缓起伏的海子山深处，LHAASO项目在1.36平方公里之上排兵布阵，逐渐摆出一张玄妙且精密的“天眼阵图”。空中俯瞰，最显眼的是一块“占地”8万平方米的白色采光板，其内部是深4.5米的密闭水池（被分为1、2、3号水池）。水底即将布满拥有3000路探测单元的水切伦科夫探测器阵列。

项目现场

大白板的前方，按边长15米的正三角形点阵来排布的电磁粒子探测器星罗密布。和点阵搭配的，是每隔30米就布设一个高2.5米的土堆，“包裹”的是缪子探测器。这两种探测器共同组成了约1平方公里的复合阵列。建成后，它们将分别达到5195个和1171个。

水池两角，未来将有12台顶着集装箱式样的广角切伦科夫望远镜组成阵列，各自配合着完成360度无死角守望。

“建成后，三种探测器阵列分工有所不同，相互间可印证且补充。”曹臻举例，望远镜阵列记录的就是宇宙线到达地面前在空中发展的全过程，而其他两个阵列则捕捉到达后的瞬间信息。“这样高度复合型且能够覆盖多能段的探测阵列在全世界少见。”

曹臻还表示，项目内缪子探测器的阵列未来将达到4万平方米，当属世界规模最大。今年已投运的首批探测站，比目前世界上最灵敏的同类装置，灵敏度高出了约30%。

有时，收集的数据需要各个探测器间的相互印证，但粒子到达地球的时间差是纳秒级的，所以达到精确同步是基本又关键的条件。曹臻介绍，整个项目对表定时系统的研发，交给了来自清华的团队。其成果实现了0.2纳秒的对表精度，当属全世界最高级。

0.2纳秒是什么概念呢？1个纳秒等于10亿分之一秒，而0.2纳秒则要精确到50亿分之一秒。光是宇宙中传输最快的速度，光走一米的距离，需要3.3个纳秒。

LHAASO自主实现的技术突破，不只这一个。在水切伦科夫探测器阵列中，收集宇宙线信息主要靠一种如灯泡样子的光电倍增管，它们被固定“悬”在水下，接收进入“散落”入水中且产生切伦科夫光的宇宙线。纳秒之间，接收到光信号的它们则会产生一个脉冲，并将其转化为电信号，传输给终端的研究人员。

“正在修建的第2、3号水池里所使用的20英寸大型光电倍增管，是我们国家自主研发项目且摆脱了对日本的技术依赖。”曹臻透露，研发采用的微通道板的探测技术使其性能相比于同类还有大跨步的提升。

七、八月份，稻城正好处于雨季。当晴空万里变成奢侈时，在水池两角矗立的广角切伦科夫望远镜观测会受到云雾遮挡，几乎处于“大门”紧闭的状态。

曹臻解释，望远镜实质是一种光学紫外探测器。天晴了“开门迎客”，粒子簇射的光到达装置时，先会被里面一块共5平方米、由25块镜子六角形密排组成的球面镜收集并反射到对面的成像探头上。

项目俯瞰

“机箱上每一个长方体格子里都有个光的漏斗，光信号漏进之后就打在里面的硅光电管上，并放大转化为电信号。”曹臻称当后台读取时，尽管看到的面积仍是以毫米计，但其实已经是成像放大一百万倍后的效果。机箱也如照相机一样，分布着1024个像素，每一个像素对信号的响应时间都在纳秒级别，“快门”速度是普通相机的一百万倍。

曹臻估计，基本上成像速率在100个赫兹左右，即每秒钟周期为一百次。“一晚上观测时间就有6、7个小时，收集的数据可想而知。”

（感谢采访期间LHAASO项目所有研究人员的支持。切伦科夫探测器阵列分总体陈明君副主任、中科院高能物理研究所李骢博士、望远镜激光标定负责人张勇以及张笑鹏老师等亦对此文有贡献）

宇宙线又称宇宙射线，是来自宇宙空间的高能粒子流。

作为来自外太空的唯一物质样品，宇宙线很可能携带着关于重大天体演化：例如宇宙深处爆炸突变、中子星碰撞以及宇宙早期活动等信息。

科学家将其形象地称为“宇宙陨石”，视之为传递“宇宙大事件”的“信使”。

宇宙线被发现100多年来，源头从未被找到。LHAASO项目的核心目标，是探索高能宇宙线起源以及相关的宇宙演化、高能天体演化和暗物质研究。

相关阅读：

LHAASO项目首席科学家曹臻：观测宇宙线，能监测太阳对通讯卫星的影响

探秘宇宙线的人：“情人节”为“天外来客”浪漫命名