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        為高能物理探索樂章添上中國音符

        ——專訪“高海拔宇宙線觀測站”(LHAASO)首席科學家曹臻

        2022-12-28 09:06 四川科技報記者 馬靜璠 7588 點擊

        >>>人物名片:

        曹臻,國家重大科技基礎設施項目“高海拔宇宙線觀測站”(LHAASO)首席科學家,四川天府新區宇宙線研究中心主任,中國科學院高能物理研究所粒子天體物理中心研究員,中國科學院粒子天體物理重點實驗室副主任,博士生導師。2022年四川“最美科技工作者”。主持完成了1993至1996年HiRes prototype的數據處理和物理分析,證實了位于亞EeV能區的宇宙線能譜“第二個膝”的存在和相應的宇宙線成分的變化,在PRL和APJ等雜志上發表多篇文章,引發了當今對銀河系宇宙線高端能譜的深入研究。

         

        在漁獵農耕時代,人們便觀察太陽、月亮和星星的運動并以此辨別方向,編制歷法,確定時間和季節、指導農業生產……在無數人仰望星空的追問和探索中,我們的文明完成了一次次蛻變。如今,人類對宇宙的認知不斷刷新,目之所及的光也從可見光延伸到各個波段的電磁波。畢竟,宇宙中還有許多肉眼無法看見的粒子在接近光速飛行,其中不少會從各個方向穿過大氣層“光顧”地球。這些“沉默不語”的“客人”是來自外太空的唯一物質樣品,是被稱為“宇宙信使”的宇宙線。而能夠到達地球附近的初級宇宙線能量跨度很大,不同的能量反映了它們不同的起源。

        1903年,英國著名物理學家、原子核物理學之父歐內斯特·盧瑟福和庫克首次在實驗中發現宇宙線的存在,由此拉開了人類探索宇宙高能加速器的序幕。1912年,奧地利物理學家赫斯乘坐氣球將高壓電離室帶到5350米高空完成了多次重要的實驗,據此,他首次提出一種新的假說:“這種迄今為止尚不為人知的東西主要在高空發現……它可能是來自太空的穿透輻射。”從那時開始,從布萊克特到恩利克·費米……一代又一代的物理學家們對宇宙射線的各種效應和起源問題進行了廣泛研究,不斷拓展、完善高能物理知識體系,也拓展著人類認知的邊界。

        曹臻發布LHAASO成果    

        接過中國高能物理研究接力棒

        中國的高能物理研究始于20世紀50年代,以王淦昌、張文裕、何澤慧、肖健為代表的科學家們,從海外回到中國,開啟了中國宇宙線觀測研究。他們在海拔3200米的云南落雪山建成我國第一間宇宙線實驗室——落雪站。他們以多板云室和小磁云室為手段,在“奇異粒子”和高能核作用研究上取得過輝煌的成就。至此,中國的物理學家們也開始一代又一代在世界高能物理知識體系中寫上中國注腳,而曹臻便是其中之一。

        1982年,曹臻畢業于云南大學物理系。20世紀80年代末,他進入中科院高能物理研究所宇宙線團隊,師從第二代宇宙線研究科學家霍安祥、丁林塏和譚有恒。高能物理對于曹臻來說,就像他喜歡的巴赫的古典音樂一樣,嚴謹、深沉又廣闊。1990年,海拔4300米的羊八井觀測站(以下簡稱“羊八井”)建成,并以其不可替代的特色立足于國際前沿。作為譚有恒的學生,曹臻跟隨老一代科學家們開啟了我國宇宙線研究從單一課題到多學科方向、從手工化到現代化大科學的轉型。1994年,他前往美國,先后在俄勒岡大學物理系、猶他大學物理系做研究。在此期間,曹臻參與了大型宇宙線實驗HiRes,發現宇宙線能譜第二膝現象;參與發現GZK截斷現象……取得了一系列科研成果。

        2004年,曹臻回到中科院高能物理研究所。次年,他出任在羊八井的中意合作項目ARGO-YBJ實驗中方負責人,牽頭建成全覆蓋式大型空氣簇射陣列,組織分析相關數據并獲得系列科研成果。2009年,曹臻代表團隊在北京香山科學會議上提出在高海拔地區建設大型復合探測陣列“高海拔宇宙線觀測站”的完整構想。2015年,國家重大科技基礎設施項目“高海拔宇宙線觀測站”(LHAASO)立項。為了選址,曹臻帶領團隊歷時五年跑遍了西藏、青海、云南、四川等地,最終選定位于甘孜稻城海拔4410米的海子山上。在這個青藏高原最大的古冰體遺跡旁邊,將誕生曹臻牽頭打造的人類仰望古老星空的新平臺,而曹臻也成長為我國第四代高能物理研究領軍人物。

        牽頭建設大科學裝置LHAASO

        2017年,LHAASO主體工程動工;2022年10月,項目通過驗收,正式投入運行。五年里,曹臻自己都數不清在北京、成都、稻城來回奔波了多少次。在高原,曹臻和團隊不只要應對復雜繁重的工作,還要面對強烈的高原反應,頭痛、氣喘、整夜睡不著覺……為了保持狀態,他們隨時都背著血氧機和氧氣瓶,當血氧儀中的數字下降到百分之七八十,就做幾下深呼吸,或者吸幾口氧。而為了保證入睡,曹臻每天都靠安眠藥輔助。面對艱苦的條件,很多工人都選擇了離開,甚至有人都沒有下車便直接打道回府。“但是100多人的科學團隊,沒有一個人退下來,因為我們堅信這件事是值得的。”曹臻說。

        LHAASO總占地1.36平方公里,由占地面積1平方公里的地面簇射粒子陣列、5216個電磁粒子探測器、1188個繆子探測器以及78000平方米水切倫科夫探測器組成。三大探測器陣列,都是世界最大規模。水切倫科夫探測器面積相當于2.5個“水立方”,內部是深4.5米、蓄水量到35萬噸的密閉純凈水池,水底布滿擁有3000多路探測單元的水切倫科夫探測器陣列,比美國同類探測器大4倍左右。規模大,能量覆蓋范圍就廣,靈敏度就高,但建設難度也更高。曹臻既是項目首席科學家,也是項目經理。除了復雜的自然環境,他還要應對施工過程中不斷出現的狀況。

        水切倫科夫探測器的水池下面要修建精度要求極高的水泥底板;水流循環使用泄漏率要控制在15‰;在海拔4410米,年最低氣溫零下35攝氏度的高寒地區,水池不能結冰;水池需要懸吊,但鋼架要求極為輕??;頂棚不能遮擋宇宙線穿過……諸多要求在設計施工團隊看來極為苛刻,而這樣的工程造價超出預算幾十倍,甚至有設計師直接說“做不了,達不到安全標準,按你這個要求我不能在施工單上簽字!”沒辦法,曹臻和團隊與設計施工團隊反復開會、研究,共同想辦法。最終,設計施工單位在國內首創了特有的“薄壁混凝土現澆邊墻+軟基土工膜防滲系統+大跨度輕鋼屋面”結構,大幅節省建設周期、節約工程造價,成功實現了探測器對避光、防凍、防銹蝕和水位保持等超標準指標要求,并榮獲2020年度四川省優秀工程勘察一等獎與設計一等獎(“天府杯”)。“LHAASO的建設也有賴于我們國家強大的工業、建設體系,而大科學裝置的建設也推動了工業體系發展,我們提出的要求基本上都做到了,所以能獲得‘天府杯’是實至名歸。”曹臻說。

        曹臻(右三)在LHAASO施工現場    

        以精益求精推動自主創新

        不僅如此,LHAASO還應用了多項我國自主研發的技術和設備,完成了多項關鍵核心技術攻關。

        廣角切倫科夫望遠鏡被稱為甚高能γ射線天文觀測的利器,能捕捉原子核產生窄角切倫科夫輻射發出黯淡的光。但切倫科夫持續短,強度弱,因此大多主要的切倫科夫望遠鏡都選擇了相對“古老”的光電倍增管。這種子古老的光電管對光源特別敏感,只能在漆黑沒有一點光源的夜晚運行,“電筒的光一晃就報廢了,我們團隊自主創新,首次在大視場成像切倫科夫望遠鏡中大規模使用新型硅光電管,徹底改變了這類望遠鏡不能在月夜工作的傳統觀測模式,甚至白天也能運行。而這項技術也不再局限于實驗室,甚至可以拓展到自動駕駛領域,提高攝像機的靈敏度。”曹臻驕傲地說。

        同時,項目團隊還發展了基于“小白兔”技術,適應4000米以上高海拔野外工況的大面積、多節點、高精度時鐘同步技術,提升了該技術遠距離同步精度5倍到0.2納秒;采用了國產20英寸超大型光電倍增管,并將時間響應提高了3倍,突破了國際上的技術壟斷;把觀測閾能從300 GeV(十億電子伏特)降低到70 GeV,大大擴展了觀測能力;在海量數據獲取技術上取得顯著進步,發展并實現了“無觸發”數據獲取,對數據量高達4GB/s的宇宙線事例實現“零死時間”觀測;采用特殊的數據篩選技術,對海量數據進行無損壓縮,實現從海子山到高能所的實時數據傳輸。

        “在修建一號水池時,中科院高能物理研究所與北方夜視技術股份有限公司聯合研發出我國具有完全自主知識產權的20英寸光電倍增管。”曹臻自豪地說,這實現了技術上的突破,打破了國際上單一供應商壟斷的局面,LHAASO 2/3的面積也用上了這種先進的設備,提升了探測器的能力。

        一項項關鍵技術的突破,一個個先進設備的應用,為LHAASO開啟觀測“超高能伽馬射線天文學”的新窗口提供了有力支撐。LHAASO也被國際著名天體物理學家譽為“已經投入觀測運行了的未來探測器”。

        檢測設備
        探索更遼遠的星際

        為提高效率、克服環境對工程的影響,LHAASO項目團隊采取“邊建設、邊運行”的模式,利用已建成的部分陣列積極開展科學觀測。LHAASO也不負眾望,在試運行時期間便接連發布重大成果。2021年5月,LHAASO在人們原以為溫和、中庸的銀河系內發現12個穩定的超高能伽馬射線源,“這是人類迄今觀測到的最高能量光子,這意味著銀河系內大量存在超高能宇宙線加速器。也向著解決宇宙線起源的‘世紀謎題’邁出了重要一步,開啟了‘超高能伽馬天文學’的時代。”曹臻解釋道。該成果在Nature(《自然》)上一經發表便轟動全球,迅速沖上了全球科研類論文關注度排行榜top 1%、Nature刊發所有論文關注度排行榜top 11%,并成功入選2021年中國十大科技進展新聞。時隔不到兩個月,2021年7月9日,LHAASO再次取得重大科學成果,并在Science(《科學》)上發表。LHAASO精確測量了高能天文學標準燭光的亮度,覆蓋3.5個量級的能量范圍,為超高能伽馬光源測定了新標準。同時還記錄到能量達1.1拍電子伏的伽馬光子,相關結果挑戰了高能天體物理中電子加速的“標準模型”。

        對LHAASO的一系列重大發現,曹臻歸為“幸運”。“這些觀測成果已經展現出LHAASO強大的科學發現威力。”說起LHAASO,曹臻無比興奮。在依托LHAASO開展宇宙線研究的同時,他還帶著中國第四代和第五代宇宙線研究者走向國際,參與南半球廣域伽馬射線天文臺(SWGO)的醞釀工作。“在過去50年里,我們國家的高能物理一直處于第一梯隊跟跑的水平,雖然沒有掉隊卻沒有引領,LHAASO讓我們有了這種可能,新的發現必然帶來革命性的理論和新的規律,對這些現象的理解和新規律的總結是作為物理學家的我們要去做,也是國家發展必然的使命和責任。我們也必然會吸引全球的科學家參與到我們的國際合作中來,與世界各地的科學家們一道繼續探索宇宙射線的起源,進一步了解銀河系本身,使得我們的對宇宙的理解不斷豐富。”曹臻說,“我們終將不斷拓展認知,也終將走向更遼遠的星際。”

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