强烈痕迹的用途及应用

在海拔4410米的青藏高原最大古冰体遗迹海子山上，有一个巨大“圆盘”，它的任务是为科学家们接住从外太空撒向地面的宇宙线，借此破解宇宙的密码。这个“圆盘”就是国家重大科技基础设施——高海拔宇宙线观测站（LHAASO，拉索）。

2023年5月10日，拉索通过国家验收。它正对当今最重要的科学前沿课题——高能宇宙线起源问题发起冲击，使我国在高能伽马射线天文领域的研究达到国际领先水平。

中国科学院高能物理研究所研究员、拉索项目首席科学家曹臻展示拉索沙盘。中科院高能所供图

“如果在空间站上观测宇宙线，天基探测器非常小，而超高能量宇宙线数量稀少，好比用一个盆来接宇宙线，接了半天也接不到。”中科院高能所研究员、拉索项目副经理兼总工艺师何会海解释说，高山实验能够充分利用大气作为探测介质，在地面进行观测，探测器规模可远大于大气层外的天基探测器，采用大规模探测器是唯一观测手段。

宇宙线观测站对天空纯净度有很高的要求，高海拔地区空气稀薄，有利于宇宙线穿越大气层到达地面。在云南、青海、西藏等地进行了近5年的选址后，2012年，曹臻团队最终将目光落在了四川稻城县海子山。

高海拔的挑战

即便在地大物博的中国，找到这样适合的地方也并不容易。

“我们的总体要求多达几页纸。”何会海说，除了超过4000米的高海拔，还需要这里有足够平整的一块土地，也就是场地的落差。当时团队的要求是落差不超过±50米，海子山这片场地的落差大概在30米。

要建设国际领先水平的大型装置，场地方圆50公里内要有机场，附近要有公路交通，当地医疗条件要达到有高压氧舱的水平；观测站要产生海量科学数据，当地需有方便的供电条件……海子山邻近227国道，离稻城机场只有10公里，四川当地给予配套支持，满足了科学家们的需求。

由于观测站的重要组成部分水切伦科夫探测器阵列是三个“大水池”，充足的水源也必不可少。“我们有句话，山有多高，水有多高。”何会海说，海子山3000多平方公里的范围内有1000多个湖泊，为“水池”的大量用水提供了得天独厚的条件。

2015年12月，拉索获得国家发改委批复立项，主体工程于2017年动工。在海子山将拉索构想变为现实，还要面临一系列挑战。

何会海说，场地上遍布的巨石，每个都有一间小房子那么大，除了要把巨石阵移走、修路、通电，科研人员还要将高原上的草甸植被暂时移走。“4000米高原上的植被非常宝贵的，一旦破坏，100年都长不回来。建立观测站之前，我们将植被暂时移走加以保护，建设完成后再使它们原地、原样回归。”

稻城县的空气稀薄而寒冷，施工期只有5-10月短短的半年时间，工作人员还要面对恶劣的气候和缺氧的环境。对于高原环境的变幻莫测，脸被晒得黝黑的何会海深有体会。“太阳出来时，会把脸晒到脱皮，只要一块云把太阳遮住，气温唰地一下就降下来了。”

高海拔宇宙线观测站观景台。中科院高能所供图

受稻城气候条件限制，拉索每年施工期只有6个月，所以采取了“边建设边运行”模式。拉索的1/4规模探测装置于2019年4月投入试运行，全规模探测装置于2021年7月投入试运行。早在试运行期间，拉索已经取得多项突破性的重大科学成果。

据曹臻介绍，探索宇宙线要瞄准一些活动非常剧烈的天体，看其是否有能力产生极高能量的粒子。2020年，拉索在银河系内发现了大量超高能宇宙**候选天体，并记录到最高1.4PeV（1PeV为1000万亿电子伏，也叫“拍电子伏”）的伽马光子，这是人类观测到的最高能量光子，改变了人类对银河系粒子加速的传统认知，开启了“超高能伽马天文学”时代。

1PeV是什么概念？它相当于医学诊断用的X射线能量（大约1万电子伏特）的1000亿倍。

我们人眼所能看见的可见光，其光子能量为几个电子伏特（eV）。太阳通过内部氢核聚变所产生的伽马射线，能量达到了百万电子伏特（MeV）。早在1989年，美国亚利桑那州惠普尔天文台的实验组成功发现了首个具有0.1 TeV以上（1TeV=1万亿电子伏特）伽马辐射的天体，标志着“甚高能”伽马射线天文学时代的开启。在随后的30年里，已经发现超过200个“甚高能”伽马射线源。

直到2019年，人类才探测到首个具有“超高能”（0.1PeV以上）伽马射线辐射的天体，当时，中日合作团通过西藏羊八井ASg实验，发现了能量高达0.45PeV的伽马射线。2020年，基于1/2规模的拉索不到1年的观测数据，就将“超高能”伽马射线源数量提升到了12个。“国外的实验装置很难看到这些源，因为它们的‘眼睛’不够亮，不够灵敏。”曹臻说。

基于拉索的研究成果表明，年轻的大质量星团、超新星遗迹、脉冲星风云等是银河系超高能宇宙线起源的最佳候选天体，有助于破解宇宙线起源这一“世纪之谜”。这一成果发表在《Nature》（《自然》）上。

拉索还精确测定了标准烛光蟹状星云的超高能段亮度，这也意味着，将来要为其他天体做“超高能波段”的观测时，仍然需要先对标“标准烛光”——蟹状星云。同时，拉索发现了1千万亿电子伏伽马辐射，挑战理论极限。

“成果持续产出后，产生了明显的‘拉索效应’。”曹臻说，目前在国际的天体物理会议上，几乎每会必谈拉索，每会必谈拍电子伏宇宙**（PeVatron）。“拉索的发现已经把门打开了，我们的竞争对手——国际合作的切伦科夫望远镜阵列（CTA）下一步该怎么做也成了很重要的话题。”

在探索浩瀚宇宙的道路上，拉索将源源不断地带来新的发现。

新京报记者张璐

编辑刘梦婕

校对李立军

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强烈痕迹的用途及应用

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