“拉索”开启高能宇宙观测新窗口

约20 亿年前，在遥远的宇宙深处，一颗20 倍太阳质量的恒星走到了生命尽头，以一种极为壮烈的方式——超新星爆发，向宇宙宣告了它的终结。2022 年10 月9 日，这次爆发所迸发的伽马射线暴抵达地球，在夜空中留下了耀眼的印记。

千年难遇

这次伽马射线暴有多罕见？答案是千年难遇。

没看清楚

全世界多个观测站捕捉到了这个大事件，然而，过高的光子流量让许多国家的探测器都出现饱和效应，造成了仪器的短暂失灵或数据堆积，大量细节没有得到有效的观测和记录。

转到了背面

在这次爆发期间，欧洲科学团队建造的专门用于探测宇宙线的MAGIC 大气切伦科夫望远镜，刚好背对伽马射线暴来的方向，痛失观测良机。

白云翔博士

中国科学院高能物理研究所高级工程师，天府宇宙线研究中心常务副主任。参加中国首台高能宇宙线τ 中微子望远镜研制，参加“十二五”国家重大科技基础设施高海拔宇宙线观测站工程、“十三五”科教基础设施宇宙线物理与探测技术平台建设。长期从事高能物理实验研究和大科学创新战略研究。

最佳观测

位于中国四川省稻城县海子山的高海拔宇宙线观测站——“拉索”（LHAASO），不仅全程记录了这场持续数百秒的“宇宙烟花秀”，并且它的多个探测器阵列准确捕捉了高能伽马光子的丰富信息。考虑到这次伽马射线暴如此罕见，科学界认为：“拉索”的观测成果将是未来数十年甚至上百年内最佳的。

来自宇宙的" 粒子阵雨"

宇宙线中的高能粒子以光速或接近光速的速度穿越宇宙，其中一些穿过地球大气层。

与空旷的太空相比，地球大气里的物质密度高太多了，空气中的原子核很容易被宇宙线中的高能粒子撞击，从而产生大量次级粒子。

这样的过程不断重复，次级粒子的数量变得越来越多，仿佛在天空降下一片“粒子阵雨”。

在这些“粒子阵雨”中，我们可以找到包括强子、电子、光子以及μ 子在内的各种粒子。每一秒，都有数百个甚至上千个μ 子穿透你的身体，但不会对你造成任何影响。通过探测这些次级粒子，我们就能反推宇宙线的初始信息和源头。

宇宙线就像宇宙中穿行的“信使”，为我们捎来遥远宇宙的物质和信息。

宇宙线是如何被发现的？

1912 年，奥地利物理学家维克多·弗朗西斯·赫斯带着三台静电计，乘坐热气球上升至5350 米的高空进行测量。他发现高空中的空气电离率是地面的四倍，这表明有一种高穿透力的射线从上部进入大气层。

在1913 年到1914 年间，德国物理学家柯尔霍斯特重复了赫斯的实验，他的气球更是上升到了惊人的9000 米高度。他和赫斯的实验被人们视为宇宙线发现的里程碑，从此以后，高海拔和空间实验与宇宙线研究结下了不解之缘。

威尔逊云室

人们可以通过一个由玻璃罐、毛毡、干冰和过饱和的醇类制成的云室来观察宇宙线。当μ 子穿过云室，会在经过的路径产生离子（通过电离作用），过饱和蒸气以离子为核心凝结成小液滴，从而显示出μ子的移动路径。

宇宙线——天然粒子物理实验室

赫斯的发现开启了一个新的时代——通过研究宇宙线，大量基本粒子被发现。

1932 年，安德森从宇宙线中发现了正电子，这使我们对正反物质世界的认识更进一步。

1937 年，安德森和尼德迈尔利用云室在宇宙线中发现了μ 子。

1947 年，鲍威尔在高空核乳胶中发现了汤川秀树在1934 年预言的能传递强相互作用的π 介子。

类似的重大发现还有许多。这一连串的发现，都是在探索宇宙线的道路上取得的重大成就。

宇宙线是研究宇宙的“一手资料”

今天，我们更关注宇宙线本身，因为它们展现的是一个动态的、充满活力的宇宙，其中涉及的能量超级高。就拿最强大的宇宙线粒子来说，它的能量是欧洲核子研究中心的大型强子对撞机产生的高能质子能量的一千万倍，这让我们好奇：怎样的“宇宙加速器”，才能把粒子加速到如此高的能量？要回答这个问题，第一步就是从错综复杂的爆发天体中确定哪些才是宇宙线的加速源，这正是“拉索”的核心科学目标。

要建设我国自主的宇宙线观测站

早在20 世纪50 年代，我国就开始了对宇宙线的研究。但受制于制造能力和经济基础，我国在很长一段时间里无法自主建设大规模、高水准的宇宙线观测站。20 世纪80 年代建成的羊八井国际宇宙线观测站，无论是探测器设计和建造，还是论文撰写和发表，都无法实现中方主导。缺少自主的大规模、高水准宇宙线观测站，导致我国的宇宙线研究在长时间里只能扮演“跟跑”的角色，这让我国的科研人员心里憋着一股劲。

宇宙考古

四川省稻城县海子山这个曾经人迹罕至的地方，如今已成为科学家追寻宇宙线奥秘的重要场所。在这里，“拉索”以其独特的地理优势和先进的科研设施，不断捕捉着来自宇宙深处的微弱信号，为我们逐步揭开宇宙线的神秘面纱。

曹臻院士自2013 年起担任“拉索”项目的首席科学家。他不仅是该项目的提出者，也是工程建设领导者。用曹臻院士的话来说，“拉索”要做的就是“去考宇宙的古”。

独特的选址

越高的地方，越有利于探测宇宙线。进入大气层的高能宇宙线非常容易和空气中的原子核发生反应，产生次级粒子，引发簇射级联现象；不同能量，不同种类的粒子，级联的形态也各有不同。

有人说，观测站越高越好。那为什么不在太空直接观测宇宙线？实际上，我们的确是双管齐下，在太空、地面同时观测宇宙线。但太空观测设备就像一个个小脸盆，而超高能量的宇宙线又极其稀少，几乎“接”不住几个。因此，只有在地面才有可能布置面积更大的探测器阵列，接收到更多的宇宙线事例。观测站所处的高度跟我们要探测的粒子能量也有直接关系。

规模要大

除了位置高，规模大是“拉索”相比其他宇宙线观测装置的另一大优势。宇宙线进入地球大气层后会产生大量的次级粒子，像一场阵雨降落在地面，原初粒子能量越高，阵雨覆盖面积就越大，这就要求“拉索”必须具备较大的探测面积来收集这些次级粒子。探测器规模大也有利于科研人员在短时间内收集到更多的宇宙线事例，因此，“拉索”的巨大规模就显得尤为重要。

“拉索”的探测器覆盖面积约为1.36 平方千米，相当于两个故宫的面积。此外，“拉索”还结合了多种探测手段。

为何选中稻城海子山？

在青藏高原的怀抱中，海子山以其壮观的古冰体遗迹和丰富的冰蚀地貌著称，山上散布着一千多个宁静的海子（高山湖泊），冰川巨石遍布其间。海子山空气稀薄，气候严酷，每年十月份开始，这里的气温就徘徊在冰点左右。为什么“拉索”选址会定在自然条件如此严酷的山头上？

为了选址，“拉索”团队耗时5 年，跑遍西藏自治区、青海、云南、四川等地，才最终确定了位于四川省稻城县的海子山。那里的综合条件是所有候选站址中最优秀的。

除了前文提到的科学观测上的优势，还有工程实施以及科学运行上的长远考虑。海子山交通条件便捷，离国道仅数百米，距离稻城亚丁机场也不过十余千米，大大方便了人员与物资的运输。光纤网基础设施确保了海量数据的即时收集与传递。海子山山顶地势平缓，最大高低差仅有三十米，有利于探测器阵列的精准布局与安装，保证观测的统一性和准确性。此外，这里的水资源也很充沛，是探测器建造所需的重要介质。

四大优势

相比其他宇宙线观测装置，“拉索”具有四大优势：

大视场：“拉索”就像一个超级大的望远镜，它可以同时看到很大一片天空，这样就能捕捉到更多的宇宙线事件。

全天候：不管白天还是晚上，也不管天气好坏，“拉索”都能持续工作，这样就不会错过任何重要的宇宙线信号。