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LHAASO項目首席科學家曹臻:“中國獵人”欲解宇宙線起源世紀之謎丨70年70人·科技⑩

封面新聞 2019-09-06 00:17 126252


人物名片


曹臻

1987年到高能物理所宇宙線研究室念研究生,1994獲物理學博士學位。

現為高海拔宇宙線觀測站項目首席科學家、中國科學院高能物理研究所研究員。

他帶領我國宇宙線研究第四代人,懷著最原始的好奇心,欲解開宇宙線起源這個世紀之謎。

他們好像一群追逐永恒未知的馬拉松跑者,身著的統一藍色背心上,提醒著共同的身份和新的起跑點:“LHAASO,4410米”。

封面新聞記者 楊晨 劉開怡 田源

好奇心是一種最原始的動力。

從古代人抬頭遐想并陸續提出天圓觀、渾天說和地有四游,到伽利略發明第一臺天文望遠鏡初識月球表面,再到實現登月的“一小步”以及各種飛船上天入地,人類永遠帶著敬畏獵奇未知。

在位于四川西南邊緣,平均海拔4500米的海子山上,除了鑲有1145個與蒼穹輝映的湖泊外,還有一座位于海拔4410米、占地1.36平方公里的探測站正逐漸張開它的“眼睛”,企圖捕捉更多天外“來客”。

這座高海拔宇宙線觀測站(Large High Altitude Air Shower Observatory,簡稱LHAASO,音譯“拉鎖”)自2017年破土動工后,至今已有約四分之一規模實現了科學運行。作為“十二五”國家重大科技基礎設施項目,其核心目標是探索高能宇宙線起源以及相關的宇宙演化、高能天體演化和暗物質研究。

探索的背后,項目首席科學家曹臻帶領我國宇宙線研究第四代人,懷著最原始的好奇心,肩負著無窮的使命感,腳蹬泥路又不忘仰望星空。

  探索之路 

捕捉宇宙“信使”

從“陪跑人”到參與者

宇宙無限,信使有痕。

作為來自外太空的唯一物質樣品,宇宙線(又稱宇宙射線)很可能攜帶著關于重大天體演化:例如宇宙深處爆炸突變、中子星碰撞以及宇宙早期活動等信息。

其是來自宇宙的高能粒子流的總稱,成分包括質子和各種原子核、還有少量的光子、中微子、電子等。這些來自宇宙空間的高能射線不斷降落在地球,原初宇宙射線的粒子在穿過地球的“保護膜”大氣層時,與大氣原子核碰撞后又不斷產生“子子孫孫”——次級粒子,在空中形成一陣“宇宙射線雨”。這也被稱為廣延大氣簇射。

百年來,業界一直企圖“捕捉”和研究這些“陣雨”,以了解光年外的世界:宇宙線是如何產生的,具體哪個地方發出的,為何會加速這么高的能量……

1949年,以研究高能物理粒子為目的,我國開始了在這一領域的探索。那時,曹臻口中第一代研究者張文裕留美歸國后,著手在云南東川的落雪山上建立實驗室,使用傳統的云霧式探測器進行研究。不過到了上世紀70年代,實驗室才進入“可用的狀態”,又被其他國家橫空出世的大型加速器實驗給比了下去。

上世紀八十年代末,第二代探索者接力,開始申請啟動西藏羊八井探測站建設。但與合作方日本相比,“實力”稍顯懸殊。當時,日方投入的科研費達到約四千萬日元(相當于當時200余萬人民幣),中方僅有20萬元的啟動資金?!澳莻€時候我們什么都不會,也沒錢買設備,能提供的就是人力和地方?!辈苷橛∠笾?,中方負責羊八井基地建設,日方則提供陣列設備。1990年元月,擁有45個探測器的羊八井一期小陣列和羊八井觀測站初步建成。

不久后,已是高能物理所宇宙線研究室研究生的曹臻,進入羊八井當上了值班觀測人員?!案杏X就是去當助手,根據觀測數據寫成并拿到國際上發表的文章,都是由日方主導?!倍已虬司慕涃M并不能支撐一個后勤班子的運營,所有的運輸、采購、基建等都由科研人員承擔。

“但在2000年時,我們就迎來了‘平等’的合作?!辈苷樗傅募词且獯罄麌液丝茖W院(INFN)與高能所合作的羊八井ARGO項目?!皬慕ㄔO到研究,雙方不管是在經費,還是研發人力的投入,以及最后科學論文的完成發表上,都按‘1:1’的比例合作分配?!?/p>

  LHAASO開建 

三大探測陣列

組玄妙精密的“天眼陣圖”

經過“陪跑”到“平等”參與的這三十年,曹臻認為中國宇宙線的研究已沉淀出了底氣?!凹由蠂覍萍嫉闹匾暫屯度?,我們在2009年提出建立如LHAASO這樣的研究計劃?!?/p>

在國務院發布的《國家重大科技基礎設施建設中長期規劃(2012-2030年)》中,高海拔宇宙線觀測站項目被列為16個優先安排的重大項目之一,并于2015年12月31日獲得國家發改委批準立項。曹臻形容,從投入規模上講,其可以在宇宙線研究百年歷史上排第二,僅次于美國在南極建起的“冰立方”中微子探測器。

2017年,LHAASO項目在稻城縣海子山上破土動工。

俯瞰LHAASO

曹臻的角色發生了變化。如今他被項目研究人員稱為“曹總”,是項目首席科學家,同時也是展示LHAASO成就或召集對接國際合作的經理人。一旦不用輾轉于各種研討、會議,他就回到海子山當“監工”,管理范圍從整個工程的進度到地下管道埋放的深淺。

如今在海拔4410米低緩起伏的海子山深處,LHAASO項目在1.36平方公里之上排兵布陣,逐漸擺出一張玄妙且精密的“天眼陣圖”??罩懈╊?,最顯眼的是一塊“占地”8萬平方米的白色采光板,其內部是深4.5米的密閉水池(被分為1、2、3號水池)。水底即將布滿擁有3000路探測單元的水切倫科夫探測器陣列。

項目現場

大白板的前方,按邊長15米的正三角形點陣來排布的電磁粒子探測器星羅密布。和點陣搭配的,是每隔30米就布設一個高2.5米的土堆,“包裹”的是繆子探測器。這兩種探測器共同組成了約1平方公里的復合陣列。建成后,它們將分別達到5195個和1171個。

水池兩角,未來將有12臺頂著集裝箱式樣的廣角切倫科夫望遠鏡組成陣列,各自配合著完成360度無死角守望。

“建成后,三種探測器陣列分工有所不同,相互間可印證且補充?!辈苷榕e例,望遠鏡陣列記錄的就是宇宙線到達地面前在空中發展的全過程,而其他兩個陣列則捕捉到達后的瞬間信息?!斑@樣高度復合型且能夠覆蓋多能段的探測陣列在全世界少見?!?/p>

曹臻還表示,項目內繆子探測器的陣列未來將達到4萬平方米,當屬世界規模最大。今年已投運的首批探測站,比目前世界上最靈敏的同類裝置,靈敏度高出了約30%。

  自主創新 

對表精度達0.2納秒

技術成果屬全世界最高級

有時,收集的數據需要各個探測器間的相互印證,但粒子到達地球的時間差是納秒級的,所以達到精確同步是基本又關鍵的條件。曹臻介紹,整個項目對表定時系統的研發,交給了來自清華的團隊。其成果實現了0.2納秒的對表精度,當屬全世界最高級。

0.2納秒是什么概念呢?1個納秒等于10億分之一秒,而0.2納秒則要精確到50億分之一秒。光是宇宙中傳輸最快的速度,光走一米的距離,需要3.3個納秒。

LHAASO自主實現的技術突破,不只這一個。在水切倫科夫探測器陣列中,收集宇宙線信息主要靠一種如燈泡樣子的光電倍增管,它們被固定“懸”在水下,接收進入“散落”入水中且產生切倫科夫光的宇宙線。納秒之間,接收到光信號的它們則會產生一個脈沖,并將其轉化為電信號,傳輸給終端的研究人員。

“正在修建的第2、3號水池里所使用的20英寸大型光電倍增管,是我們國家自主研發項目且擺脫了對日本的技術依賴?!辈苷橥嘎?,研發采用的微通道板的探測技術使其性能相比于同類還有大跨步的提升。

  高度精密 

給宇宙線“拍照”

“快門”速度是普通相機百萬倍

七、八月份,稻城正好處于雨季。當晴空萬里變成奢侈時,在水池兩角矗立的廣角切倫科夫望遠鏡觀測會受到云霧遮擋,幾乎處于“大門”緊閉的狀態。

曹臻解釋,望遠鏡實質是一種光學紫外探測器。天晴了“開門迎客”,粒子簇射的光到達裝置時,先會被里面一塊共5平方米、由25塊鏡子六角形密排組成的球面鏡收集并反射到對面的成像探頭上。

項目俯瞰

“機箱上每一個長方體格子里都有個光的漏斗,光信號漏進之后就打在里面的硅光電管上,并放大轉化為電信號?!辈苷榉Q當后臺讀取時,盡管看到的面積仍是以毫米計,但其實已經是成像放大一百萬倍后的效果。機箱也如照相機一樣,分布著1024個像素,每一個像素對信號的響應時間都在納秒級別,“快門”速度是普通相機的一百萬倍。

曹臻估計,基本上成像速率在100個赫茲左右,即每秒鐘周期為一百次?!耙煌砩嫌^測時間就有6、7個小時,收集的數據可想而知?!?/p>

(感謝采訪期間LHAASO項目所有研究人員的支持。切倫科夫探測器陣列分總體陳明君副主任、中科院高能物理研究所李驄博士、望遠鏡激光標定負責人張勇以及張笑鵬老師等亦對此文有貢獻)

知道一下


宇宙線:傳遞“宇宙大事件”的“信使”

宇宙線又稱宇宙射線,是來自宇宙空間的高能粒子流。

作為來自外太空的唯一物質樣品,宇宙線很可能攜帶著關于重大天體演化:例如宇宙深處爆炸突變、中子星碰撞以及宇宙早期活動等信息。

科學家將其形象地稱為“宇宙隕石”,視之為傳遞“宇宙大事件”的“信使”。

宇宙線被發現100多年來,源頭從未被找到。LHAASO項目的核心目標,是探索高能宇宙線起源以及相關的宇宙演化、高能天體演化和暗物質研究。

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  • 518196 2019-09-11

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