中新社成都5月16日電 題：中國“拉索”何以引領(lǐng)宇宙線研究國際前沿？

——專訪“拉索”首席科學(xué)家、中國科學(xué)院高能物理研究所研究員曹臻

中新社記者 孫自法

【資料圖】

聚焦宇宙線起源“世紀(jì)之謎”、已經(jīng)拉開“超高能伽馬天文學(xué)”時(shí)代大幕的中國國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——位于四川稻城海拔4410米的高海拔宇宙線觀測站(英文縮寫LHAASO，中文昵稱“拉索”)，5月10日順利通過國家驗(yàn)收，正式邁入全面開放運(yùn)行階段。

中國為什么要建設(shè)“拉索”、它有哪些特色與優(yōu)勢、將如何引領(lǐng)宇宙線研究國際前沿并開展國際合作、未來進(jìn)一步發(fā)展有什么規(guī)劃……“拉索”項(xiàng)目工程經(jīng)理、首席科學(xué)家、中國科學(xué)院高能物理研究所(中科院高能所)研究員曹臻近日在成都的天府宇宙線研究中心，接受中新社“東西問”專訪，對(duì)備受矚目的大科學(xué)裝置“拉索”進(jìn)行科普解讀。

現(xiàn)將訪談實(shí)錄摘要如下：

中新社記者：中國為什么要建“拉索”？與國外同類裝置相比，中國“拉索”有何特色與優(yōu)勢？

曹臻：宇宙線攜帶著宇宙起源、天體演化、太陽活動(dòng)及地球空間環(huán)境等重要科學(xué)信息，研究宇宙線及其起源是人類探索宇宙的重要途徑。宇宙線自110年前發(fā)現(xiàn)研究至今，仍然是一門“年輕”的學(xué)科，尚未形成一個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)模型”完整地描述其起源、加速及星際空間傳播的機(jī)制，宇宙線起源這一“世紀(jì)之謎”也被國際物理學(xué)界列為“新世紀(jì)11個(gè)科學(xué)問題”之一。

對(duì)于由實(shí)驗(yàn)主導(dǎo)的宇宙線研究領(lǐng)域來說，需要新一代的探測器以前所未有的靈敏度來開創(chuàng)一個(gè)新的時(shí)代。在21世紀(jì)第一個(gè)10年，各國紛紛提出下一代伽馬天文觀測大科學(xué)裝置計(jì)劃：歐洲國家提出建造100多臺(tái)切倫科夫望遠(yuǎn)鏡組成的陣列(CTA)計(jì)劃；美國選擇了一條通過升級(jí)改造實(shí)現(xiàn)適度提升靈敏度的高海拔水切倫科夫探測器(HAWC)計(jì)劃；中國則提出建設(shè)“拉索”的計(jì)劃，正式參與這場全世界范圍內(nèi)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)比拼。

作為中國自主提出并設(shè)計(jì)、建造的新一代伽馬射線望遠(yuǎn)鏡和宇宙線探測裝置，“拉索”以探索高能宇宙線起源并開展相關(guān)高能輻射、天體演化以及暗物質(zhì)分布等基礎(chǔ)科學(xué)研究為核心目標(biāo)，它占地面積約1.36平方公里，由5216個(gè)電磁粒子探測器和1188個(gè)繆子探測器構(gòu)成的1平方公里地面簇射粒子探測器陣列、7.8萬平方米的水切倫科夫探測器陣列、18臺(tái)廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡等三大陣列組成，采用4種探測技術(shù)，可全方位、多變量地測量來自于高能天體的伽馬射線和宇宙線。

至于“拉索”的特色和優(yōu)勢，目前可以概括為在三個(gè)方向上達(dá)到世界領(lǐng)先，也就是創(chuàng)造出三項(xiàng)“世界之最”：世界上最靈敏的超高能伽馬射線探測裝置，意味著能看到最多的可能性和開展最精細(xì)的研究；世界上靈敏度最高的甚高能伽馬射線源巡天普查望遠(yuǎn)鏡，可對(duì)宇宙進(jìn)行“普查”，找到更多的“源”；能量覆蓋范圍最寬的超高能宇宙線復(fù)合式立體測量系統(tǒng)，可對(duì)到達(dá)地球的宇宙線及粒子，做精細(xì)的區(qū)分并進(jìn)行最寬廣能譜的測量，從而對(duì)宇宙線相關(guān)問題進(jìn)行非常充分的研究。

海拔4410米的大科學(xué)裝置“拉索”。孫自法 攝

中國“拉索”建成運(yùn)行，正以前所未有的伽馬射線探測靈敏度，將伽馬天文的研究帶入人類從未觀測過的新波段，繼“甚高能伽馬射線天文學(xué)”活躍30年之后，開啟并引領(lǐng)人類進(jìn)入“超高能伽馬射線天文學(xué)”時(shí)代。

中新社記者：“拉索”從預(yù)研到立項(xiàng)建設(shè)再到建成運(yùn)行，堪稱“十多年磨一劍”，建設(shè)過程中突破了哪些關(guān)鍵技術(shù)？已取得哪些重大發(fā)現(xiàn)和研究成果？

曹臻：“拉索”項(xiàng)目建設(shè)完成多項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，主要包括四個(gè)方面：一是首次在大視場成像切倫科夫望遠(yuǎn)鏡中大規(guī)模使用新型硅光電管，改變了這類望遠(yuǎn)鏡不能在月夜工作的傳統(tǒng)觀測模式，實(shí)現(xiàn)有效觀測時(shí)間的成倍增長；二是發(fā)展適應(yīng)4000米以上高海拔野外工況的大面積、多節(jié)點(diǎn)、高精度時(shí)鐘同步技術(shù)，遠(yuǎn)距離同步精度提升到0.2納秒，達(dá)到國際領(lǐng)先水平；三是采用中國國產(chǎn)20英寸超大型光電倍增管，并將時(shí)間響應(yīng)提高了3倍；把觀測閾能從3000億電子伏降低到700億電子伏，大大擴(kuò)展了觀測能力；四是在海量數(shù)據(jù)獲取技術(shù)上取得顯著進(jìn)步，發(fā)展并實(shí)現(xiàn)“無觸發(fā)”數(shù)據(jù)獲取；采用特殊的數(shù)據(jù)篩選技術(shù)，對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行無損壓縮，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。

由于“拉索”前所未有的超高能伽馬射線探測靈敏度和寬闊的視場，引起伽馬天文研究的革命性變化，僅在初步運(yùn)行期間就已取得多項(xiàng)突破性的重大科學(xué)成果：“拉索”在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)12個(gè)超高能伽馬光源，也就是超高能宇宙加速器候選天體，并記錄到人類觀測到的最高能量光子，達(dá)到1.4 PeV(拍電子伏，1拍=1千萬億)，開啟了“超高能伽馬天文學(xué)”時(shí)代；“拉索”還精確測定“標(biāo)準(zhǔn)燭光”蟹狀星云的超高能段亮度，發(fā)現(xiàn)1拍電子伏伽馬輻射，挑戰(zhàn)理論極限。

同時(shí)，“拉索”建設(shè)期間即開展觀測，并實(shí)現(xiàn)科學(xué)成果持續(xù)產(chǎn)出，截至目前，基于“拉索”項(xiàng)目發(fā)表的期刊論文累計(jì)215篇、會(huì)議論文156篇。“拉索”另有多項(xiàng)重要研究成果論文已被學(xué)術(shù)期刊接收，將于發(fā)表后對(duì)外公布。

夜空下的大科學(xué)裝置“拉索”。孫自法 攝

中新社記者：“拉索”項(xiàng)目設(shè)立的國際合作組如何發(fā)揮作用？迄今已取得哪些重要國際合作成果？這一大科學(xué)裝置怎樣既推動(dòng)中國實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)、又開放服務(wù)世界造福全人類？

曹臻：“拉索”是一個(gè)比較典型的國際合作項(xiàng)目，在宇宙線、粒子天體物理等領(lǐng)域被國際同行譽(yù)為科研“金礦”，實(shí)際上其觀測數(shù)據(jù)面向全人類，并通過全人類的共同研究來實(shí)現(xiàn)破解宇宙線起源之謎的最終目標(biāo)。因此我們一開始就設(shè)計(jì)了國際合作組這樣一種傳統(tǒng)的合作組織方式，希望把國際上關(guān)注并能進(jìn)行“拉索”項(xiàng)目相關(guān)研究的科學(xué)家和科研團(tuán)隊(duì)，都吸引進(jìn)來合作開展科學(xué)研究。另外，我們自己也不可能包攬一切做所有事情，國際團(tuán)隊(duì)參與合作是一個(gè)非常好的解決方案。

當(dāng)然，中外團(tuán)隊(duì)加入“拉索”國際合作組，也有一些必要的門檻設(shè)置來保證合作成效，其中就包括建立一個(gè)“能進(jìn)能出”的評(píng)估機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)國際合作組成員的動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)整。

另一種國際合作方式是吸引國際優(yōu)秀人才來華加入“拉索”團(tuán)隊(duì)，直接到中科院高能所、天府宇宙線研究中心工作。正如中國俗話所說“栽下梧桐樹，引得鳳凰來”，由于“拉索”國際影響力不斷擴(kuò)大，國際科技人才特別是年輕科研人員現(xiàn)在已向“拉索”聚集，包括發(fā)出求職請求等。

“拉索”項(xiàng)目還充分發(fā)揮中科院建制化研究的優(yōu)勢，面向世界全面開放共享。目前，已有28個(gè)天體物理研究機(jī)構(gòu)成為“拉索”的國際合作組成員單位，利用“拉索”觀測數(shù)據(jù)開展粒子天體物理研究，同時(shí)進(jìn)行宇宙學(xué)、天文學(xué)、粒子物理學(xué)等眾多領(lǐng)域基礎(chǔ)研究。隨著通過國家驗(yàn)收投入正式運(yùn)行，“拉索”也將成為以中國為主、多國參與的國際宇宙線研究中心，并借助高海拔伽馬天文、宇宙線的觀測優(yōu)勢，成為獨(dú)具特色、綜合開放的科學(xué)研究平臺(tái)。

我們希望通過中國“拉索”引領(lǐng)國際合作，把深入開展宇宙線研究取得的成果，逐步變成認(rèn)識(shí)宇宙的重要組成部分。

“拉索”已投入穩(wěn)定的科學(xué)觀測運(yùn)行，正以超越上一代望遠(yuǎn)鏡幾十倍的超高能伽馬射線探測靈敏度，雄踞世界之首，引領(lǐng)未來的伽馬射線天文學(xué)研究的發(fā)展。相信在未來10年、20年內(nèi)，全世界基于“拉索”觀測數(shù)據(jù)開展分析研究，發(fā)表高水平科研論文，都將為人類進(jìn)一步理解、解釋宇宙作出中國貢獻(xiàn)。

大科學(xué)裝置“拉索”布設(shè)的探測陣列。孫自法 攝

中新社記者：“拉索”順利通過國家驗(yàn)收有哪些重要意義與深遠(yuǎn)影響？未來發(fā)展有何目標(biāo)和規(guī)劃？

曹臻：“拉索”的初步觀測結(jié)果已經(jīng)刷新了紀(jì)錄，新現(xiàn)象層出不窮，并正在不斷創(chuàng)造奇跡，向人們展現(xiàn)宇宙神秘的細(xì)節(jié)，引發(fā)革命性的思考。令人驚嘆的是，目前發(fā)現(xiàn)僅僅用到“拉索”設(shè)計(jì)能力的幾十分之一，隨著“拉索”統(tǒng)計(jì)性的積累，未來還會(huì)有許多重要的、劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)。這也將使得“拉索”在宇宙線研究史上，扮演一個(gè)推開蘊(yùn)藏著謎底的密室大門的重要角色，宇宙中一個(gè)個(gè)“拍電子伏加速器”好比是鎖著謎底的“百寶箱”，已經(jīng)呈現(xiàn)在“拉索”面前。我們將不懈努力探索每一個(gè)“拍電子伏加速器”的超高能伽馬輻射機(jī)制和粒子加速機(jī)制，直到完全揭開宇宙線起源之謎。

通過國家驗(yàn)收和全面開放運(yùn)行后，“拉索”首要工作就是積累觀測數(shù)據(jù)，確保未來10年、20年穩(wěn)定運(yùn)行，在此基礎(chǔ)上組織科學(xué)團(tuán)隊(duì)開展深度科學(xué)研究，將“拉索”觀測積累的紛繁復(fù)雜數(shù)據(jù)利用好、研究好，產(chǎn)出高水平科研成果。

科研人員在大科學(xué)裝置“拉索”控制室工作。孫自法 攝

“拉索”未來部署上主要有三個(gè)方向：一是要加強(qiáng)“拉索”目前尚不具有的某些方面能力，這個(gè)投入相對(duì)比較少，因?yàn)榇罂茖W(xué)裝置已經(jīng)建成，可以提供很多支撐；二是“拉索”要擴(kuò)展新的未知領(lǐng)域，比如中微子天文研究方向；三是積極參與在南半球建“拉索”的大型國際合作，因?yàn)槟习肭蛭恢玫奶靺^(qū)能看到銀河系的中心，而北半球看不到，在南半球建“拉索”，就可以擴(kuò)展“拉索”視野，并將兩者發(fā)現(xiàn)的重大科研成果進(jìn)行檢驗(yàn)和對(duì)比研究。國際“南天大視場伽馬射線天文臺(tái)”(SWGO)項(xiàng)目已向中國“拉索”發(fā)出邀請，我們也組建了“中國SWGO合作團(tuán)隊(duì)”。

大科學(xué)裝置“拉索”布設(shè)的探測陣列。孫自法 攝

總之，“拉索”讓人類發(fā)現(xiàn)宇宙之旅來到了一個(gè)新的高度，但絕不是可以停下來的高度。展望未來，我們要通過“拉索”團(tuán)結(jié)中外宇宙線研究隊(duì)伍，向著更高、更深、更難的科學(xué)目標(biāo)前進(jìn)。(完)

受訪者簡介：

“拉索”首席科學(xué)家、中國科學(xué)院高能物理研究所曹臻研究員。孫自法 攝

曹臻，中國科學(xué)院高能物理研究所研究員，“拉索”項(xiàng)目工程經(jīng)理、首席科學(xué)家。曹臻研究員自1994年起活躍于中外宇宙線和伽馬天文領(lǐng)域，參與多個(gè)國際知名宇宙線實(shí)驗(yàn)，領(lǐng)導(dǎo)和設(shè)計(jì)了多個(gè)大型實(shí)驗(yàn)及其探測裝置，并實(shí)施了相關(guān)探測器的研制。

曹臻研究員在科研歷程中已取得多項(xiàng)重要成果，在國際專業(yè)刊物發(fā)表130多篇科學(xué)論文，總引用率超過5500次。他從2007年起任中國物理學(xué)會(huì)高能物理分會(huì)常務(wù)委員，曾任國際純粹與應(yīng)用物理聯(lián)合會(huì)(IUPAP)粒子天體物理委員會(huì)(C4)成員、粒子天體物理國際委員會(huì)(WG10)成員等。