我們用15年造了這個大家伙，終于拍到了“宇宙最耀眼的煙花” | 科學講壇——何會海

15年的時間里，

我們就像養(yǎng)自己的孩子一樣，

一天天看著“拉索”長大。

何會海· 中國科學院高能物理研究所研究員

格致論道第117期 | 2025年1月18日 北京

大家好，我是何會海。我來自河北昌黎，一個小縣城。我高中的時候特別喜歡物理，甚至到了迷戀的程度，不顧師長們的反對，毅然考取了北大物理系。我在北大物理系經(jīng)受了好多年殘酷的智商碾壓后，最后進入了中國科學院高能物理研究所。

▲北京正負電子對撞機

高能物理研究所是做粒子物理的，中國首個大科學裝置“北京正負電子對撞機“就誕生在這里。它用加速器把粒子加速到很高的能量，然后讓它們對撞，就可以撞出微觀世界的奧秘。

在世界范圍內(nèi)，這種加速器大概產(chǎn)生于20世紀50年代，在那之前科學家是怎樣獲取高能粒子的呢？答案就是宇宙線，也就是我的研究方向。

在1912年的時候，奧地利有一個科學家叫做維克托·弗朗西斯·赫斯，他乘坐氣球上升到5000米的高空，這種行為在那時候是非常危險的。不過，他發(fā)現(xiàn)了來自太陽系之外的一種能量非常高的微觀粒子，于是就把它命名為宇宙線，從此打開了粒子物理學的大門，他也因此獲得了諾貝爾獎。

宇宙線的能量非常高，最高能量的宇宙線比我們?nèi)祟惣铀倨髂芗铀俚降淖罡吣芰窟€要高3000萬倍。那么，宇宙加速器是怎么把粒子加速到這么高能量的呢？這個問題經(jīng)過了100多年，科學家還沒有搞明白。所以宇宙線的起源就成為一個“世紀之謎”，是我們21世紀十一大科學難題之一。

宇宙線來自遙遠的宇宙，它攜帶了我們宇宙起源以及高能天體演化的信息，因此也叫做“物質(zhì)信使”，是我們研究暗物質(zhì)等新物理最好的利器。

雖然宇宙線這么重要，但是探測宇宙線非常困難。因為我們的大氣對宇宙線是不透明的，你要測量宇宙線就得跳出大氣層，到衛(wèi)星或者空間站上面去測量。

但是，隨著你想要尋找的宇宙線能量的升高，粒子的數(shù)目會急劇地下降，最高能量的宇宙線每平方公里100年才會有一個。你用衛(wèi)星或者去空間站上花很多年，都接不到足夠的宇宙線用于科學研究，那怎么辦呢？

好在宇宙線轟擊大氣的時候，還會產(chǎn)生很多次級高能粒子。這些高能粒子打到地面上來，會在億分之一秒的時間里形成一場粒子雨。通過測量這些次級粒子，就可以實現(xiàn)對原初粒子的探測。而這種測量一般會在高山上進行，探測的場所就是高山宇宙線觀測站。

我們中國的宇宙線研究歷史非常悠久。在1954年的時候，先輩們就在海拔3220米的云南落雪山建了我們中國的第一個高山宇宙線觀測站。之后我們中國的科學家又在很多地方展開了宇宙線的研究。這里面最有名的是位于海拔5100米的西藏甘巴拉山的觀測站，還有海拔4300米的西藏羊八井宇宙線觀測站。

▲河北興隆

中國的第一臺大氣切倫科夫望 遠鏡（1989）

我在參加工作的時候，先是在當時的北京天文臺興隆觀測站做大氣切倫科夫的研究，一做就是10年。我們這個望遠鏡直徑1.5米，焦平面上只有1個光電倍增管。那當時世界上的同類望遠鏡有多大呢？直徑10米，在焦平面上有1000個左右的光電倍增管。這個落后的程度可想而知。

▲中意合作ARGO-YBJ實驗（1998-2013）

接下來的10年，我們到了西藏羊八井做ARGO-YBJ實驗。這個實驗是當時世界上第一個全覆蓋地毯式高海拔地面粒子陣列，已經(jīng)很先進了，但是它的核心技術(shù)是別人的。

隨著我國經(jīng)濟技術(shù)的飛速發(fā)展，終于有一天，我們有條件去建設我們自己的探測器了，于是就瞄準宇宙線起源這一世紀難題。

▲高海拔宇宙線觀測站
LHAASO（Large High Altitude Air Shower Observatory）

我們在2008年提出了建設一平方公里這么大、世界領先的高海拔宇宙線觀測站，它的英文縮寫是LHAASO，大家都習慣叫它“拉索”。

為拉索挑一個家

已完成：20%//////////

想要建一個站，首先要去做選址。拉索的選址有很多要求，比方說要位于4000-5000米的海拔高度之間，還要有一塊面積大約1平方公里的平地，四周不能有遮擋，同時附近要有機場、有公路、有光纖、有醫(yī)院等設施。即便是在我們中國，要去尋找這樣的一個地方也并不容易。

我們大概花了6年的時間，在4個省的5個地方做選址的踏勘。很自豪地講，我是我們團隊里面唯一一個踏勘過所有5個站址的人，我還是唯一一個獨身去闖世界屋脊上的西藏阿里的成員。

但是我不會開車，我還暈車。在青海玉樹的時候，我遭遇了人生中一次很嚴重的暈車，再加上高反，那真的是非常“美妙”的體驗，讓你這輩子都不會再想去體驗了。

在云南香格里拉選址的時候，有一天我們一大早就坐車去到山腳下，然后徒步爬山。爬過一座小山之后，在山的那邊跟馬隊會合，再騎馬上山。

給我牽馬的是一個藏族的小男孩，他一路上都在跟我說：“大哥，我這個馬才兩歲，它還是個孩子，走山路很累的，高海拔缺氧，上坡的時候你能不能不騎它？”

我一想，上坡的時候不騎它，那我要它干嘛啊？但是我這人臉皮比較薄，又不好意思說，所以就在上坡的時候一直自己走。實在不行的時候，我就賴在馬上不下來了。

最后我們爬到了山頂，人困馬乏，又餓又渴，再加上高反，本來就難受。再往山上一看，滿眼的都是細雨蒙蒙、一片迷茫的樣子，1平方公里內(nèi)的場地上山巒起伏，海拔落差最高有150米，當時我的眼淚就下來了，在這樣的地方，將來怎么去建觀測站呢？

所以后來，我們就把站址鎖定在了四川稻城海子山。這個地方離世界上海拔最高的民用機場大概只有10公里，離最近的公路只有100多米。這個場地也非常平整，整個1平方公里內(nèi)的海拔落差大概只有35米。

稻城的亞丁景區(qū)非常漂亮，而且世界有名。但是當時拉索的站址是人跡罕至的無人區(qū)。

這個站址里面怪石嶙峋，什么樣的石頭都有，房子這么大的石頭到處都是，各種各樣。這張圖我特別喜歡，你們看像不像一個小老鼠？特別可愛，這是我自己從各種角度照的。

這張看著像什么？是不是有點像蝠鲼？但是現(xiàn)在這個石頭已經(jīng)沒有了。

在夏天的時候，很多高海拔地區(qū)獨有的奇花異草在這里競相開放，真的非常漂亮。也有小動物們到我們這個站址來，晚上你還會聽到狼嚎。

這只小狐貍基本上已經(jīng)成為我們的朋友，這只 野豬是隔壁家的，我叫它彭彭 ，偶爾也會來拜訪。

這是我拍的一個民宿，真的是人間仙境的感覺。

必先利其器

已完成：40%//////////

在選址的過程中，我們也在緊鑼密鼓地開展高海拔宇宙線觀測站的預先研究。

▲從左到右：北京、西藏羊八井、四川稻城

這個流程一般是我們先在北京的高能所做原理性的樣機研究，然后到西藏羊八井去做長時間的實地測試，然后再到實際站址海子山去做驗證。

我們有一個繆子探測器，就是去測量繆子（μ子）的。在我們地球表面，每平方厘米的面積上每一分鐘都會有一個繆子穿過你的身體。所以在座的各位現(xiàn)在就沐浴在繆子雨當中。

這個探測器中間的主體是一個直徑7米、高1.2米的袋子，里面充滿了超純水。超純水是純得不能再純的氫二氧一，什么雜質(zhì)都沒有。這個水放了20年之后還可以喝，甚至比我們的純凈水還要好很多。但是，我們要保證這個水在高海拔地區(qū)不結(jié)冰。 高海拔地區(qū)的常年的平均氣溫在 0℃以下，最冷的時候能夠達到-30℃，你怎么保證它不結(jié)冰呢？很簡單，去加熱就可以了。

但是，我們的繆子探測器有1188個，加在一塊就有5萬噸超純水，在20年的時間里會產(chǎn)生一大筆運行費，我們舍不得花這個錢。

于是，我們就把繆子探測器下沉到一定的深度，讓它處在一個溫度零上的環(huán)境里，這樣再加保溫的成本就低很多了。

當時提出了這個設計之后，我們就在西藏的羊八井去做這個實驗。這些塑料大棚其實不是給人用的，而是給探測器保溫的。

但是后來我們把站址選在了稻城，稻城的土壤含水率又比羊八井高很多，這點對于保溫來說是非常不利的。于是我們又更改了設計，在稻城又做了幾年的測試。整個繆子探測器測試大概就經(jīng)過了五六年的時間。

當然，你要做一個世界上最好的探測器，肯定需要有一些創(chuàng)新性的技術(shù)在里邊。我們在一平方公里的場地上有6000多個探測器，每個探測器上都有一塊表，要去把這6000多塊表同步對好，其實是一件非常有挑戰(zhàn)性的事情。

有一次我在南昌開會，講完之后有一位老師找到我說，他們在做一個叫做“小白兔”的技術(shù)，問我需要不需要。我當時就說這個東西太好了，正是我夢寐以求的東西。

為什么叫小白兔呢？因為《愛麗絲漫游仙境奇遇記》里面的兔子先生身上老戴著一塊表，時間對它很重要。而對我們拉索來說，時間也是很重要的。

當時這套技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)1納秒的精度，也就是1秒的十億分之一， 但是我們的要求要比這個還要高。

我們團隊經(jīng)過多年的技術(shù)攻關(guān)，最后實現(xiàn)了0.2納秒，精度是之前的5倍，現(xiàn)在很多對時間要求高的實驗都在用我們這套“小白兔”的技術(shù)。

辣叟為拉索巡山

已完成：60%//////////

萬事俱備，開工建設，我們這樣一個科研團隊立馬華麗變身成一個工程建設團隊。

從北京到成都再到稻城這條航線基本上成了我們的專線。

我是比較喜歡吃辣子，所以號稱 “辣叟”。 我每個月要去上一次山。我在高原上缺氧的時候腦子會變笨，但是運動的時候大腦供氧就會比較充足，所以我喜歡在場地上走來走去的，就像《大王叫我來巡山》里面的小妖。這么多年，我把場地的每個角落都走遍了，自稱“辣叟”巡山。

給大家看一些我們建設期的照片。

在2017年，我們場地實現(xiàn)了“四通一平”，大概是這樣的。

到了2018年探測器進場，中間是一個水池子。

為了早出成果，我們這個探測器采用了邊建設、邊運行的方針。于是在2019年，1/4陣列和1/2陣列先后建成并投入運行。

在2020年，3/4的陣列就投入運行了。

到2021年，我們整個陣列就已經(jīng)建設完畢，全部投入運行了。這張照片非常漂亮，可以看到4種探測器組成了3大陣列。

▲繆子探測器+閃爍體探測器

中間的一個個大土包就是繆子探測器，那個綠色的叫做閃爍體探測器。我們有1188個 繆子探測器 ，5216個閃爍體探測器。

▲水切倫科夫探測器

這是中間大水池的照片，有3.5個“水立方”加在一塊兒那么大，一共有三個水池，這是其中的一個水池。

▲水切倫科夫探測器

這是另一個水池的照片，非常漂亮，但現(xiàn)在再也看不到了。為什么呢？因為灌上4.5米深的水之后，再也沒辦法看到這么美的景象了。

▲廣角切倫科夫望遠鏡陣列

場地中間還有18臺切倫科夫望遠鏡，它們就像眼睛一樣看著帶電粒子穿過大氣。

宇宙中最耀眼的煙花

已完成：70%//////////

拉索剛開始運行時，我們就取得了非常重要的科學成果。

我們發(fā)現(xiàn)了12個超高能伽馬射線源，可以說開啟了人類觀測超高能伽馬射線天文的窗口。

同時，我們看到了人類所看到的最高能量的光子。

我們給宇宙拍了第一張最高能段的照片，我覺得很漂亮。只不過中間有兩個窟窿，那是地球遮擋的效應引起的。

當然我們也很幸運。我們開始觀測不久，就捕捉到了人類歷史上發(fā)現(xiàn)的最亮的一個伽馬射線暴（Gamma Ray Burst，GRB）——GRB221009A（BOAT）。

這是2022年10月9日發(fā)生的，我們把它叫做“宇宙最耀眼的煙花”。據(jù)此我們也得到了非常好的物理結(jié)果。

當然，拉索的結(jié)果不止這么多，我們有很多結(jié)果，還在不斷地產(chǎn)生新的結(jié)果，每年你都會看到相關(guān)的報道。

15年養(yǎng)一個娃

已完成：80%//////////

最后，給大家分享一些拉索的照片。

這張照片是新華社的一位 大師 拍的：在4400米的海拔上飛檐走壁。

這張是在－27℃的屋頂上坐看牛郎織女星的浪漫。

這張照片是一位工人在休息，這形象非常像羅丹的《思想者》。

這張讓我最能想起《雪山飛狐》里面的主題曲。

在高海拔的地方呼吸一口，大概只能得到海平面50%的氧氣，所以你很快就會心跳加快，呼吸急促，就會產(chǎn)生高反頭疼一系列的癥狀。但是我們的博士們還要抬著探測器，蹚過冰冷的小溪，爬上巨石，然后去工作，其艱苦程度其實是可想而知的。

這些非?？岬恼掌际俏易约骸?/p>

這個圖我把它取名叫兩小無猜，是我跟一個同事在討論問題。

這是我吃了一口藏族的奶渣，真的是很酸爽。

讓我有點小驕傲的是，在這樣的工作環(huán)境下，我們還在中午舉辦海子山午飯學術(shù)沙龍。

從2008年開始預先研究，到2023年拉索最終通過國家的正式驗收，15年的時間里，我們就像養(yǎng)自己的孩子一樣，一天天看著拉索長大。心中沒有辛苦，有的只是一種幸福。這份辛苦付出，也恰恰來自內(nèi)心的那一絲喜愛。

最后送給大家一句話，心中有星辰大海，處處是詩與遠方。

謝謝大家！

文章轉(zhuǎn)載自“格致論道講壇”公眾號