以实力证明中国方案

文/倪思洁

宇宙线，被称为“银河陨石”，是传递宇宙大事件的“信使”，携带着宇宙起源、天体演化、太阳活动和地球空间环境等重要科学信息。研究宇宙线及其起源，是人类探测宇宙的重要途径。当前，宇宙线物理的核心问题是寻找宇宙线的起源。

由于宇宙线中大部分都是带电粒子，在传播过程中因星际磁场而偏转，到达探测器时早已失去原初的方向信息，因此只能通过对来自宇宙线源的极高能粒子、中微子或甚高能/超高能伽马射线的测量来间接寻找宇宙线源。

其中，甚高能/超高能伽马射线来自比它能量更高的粒子，故可以用来示踪这些高能粒子的起源、加速以及传播机制，从而发现并研究宇宙高能粒子的加速器机制，是破解高能宇宙线起源这一“世纪之谜”的金钥匙。

不到两个月，在《自然》《科学》连发两个成果，并迅速冲上全球科技期刊论文热搜榜前1%……几乎一夜之间，高海拔宇宙线观测站（Large High Altitude Air Shower Observatory，简写为LHAASO）成为国际科研领域的大热门。而在此之前，作为全球宇宙线观测方案之一，LHAASO 不仅很少被国际同行重视，还被一些人质疑。

从最初遭冷言到之后被热捧，这一转变的背后有一位关键人物——LHAASO 首席科学家、中国科学院高能物理研究所（以下简称高能所）研究员曹臻。

起点

从云南大学本科毕业后，曹臻进入高能所攻读硕士学位，师从研究员谭有恒。

谭有恒是继王淦昌、张文裕、何泽慧、肖健等科学家之后，我国的第二代宇宙线研究人员。他曾到日本留学，回国后致力为我国建设世界级宇宙线观测基地。师从谭有恒，意味着曹臻要做实验物理研究。心心念念想做理论物理研究的曹臻，一边接受着实验物理的训练，一边倔强地给自己选了一堆理论物理的课程。

不久后，谭有恒递给曹臻一张手绘草图。“我们去把它做出来。”谭有恒说。草图是谭有恒在参与国际同行讨论时画出来的，画的是可以用在探测宇宙超高能光子阵列中的缪子探测器。

1986年，曹臻和他的同学们跟着谭有恒来到北京怀柔的一小片桃园里（现中国科学院大学校园内），用56台样机尝试搭建我国自己的宇宙线观测阵列。就在此时，大洋彼岸的美国科学家也在犹他州广袤干旱的沙漠性谷地上，开启了寻找宇宙超高能光子的计划。

曹臻回忆道：“我当时就像‘盗墓人’一样，和工人们一起掘地3米，用来放探测器。”遗憾的是，因为防水没做好，怀柔桃园里的小型缪子探测器样机实验以失败告终。而犹他州沙漠中的实验，却成为宇宙线研究领域一度享有盛名的卡萨米亚（CASA-MIA）实验。

尽管最初的尝试失败了，那段经历却让曹臻看到了实验物理的魅力。“令人着迷。一旦做进去了之后，就会觉得这个东西非常有趣。”曹臻说。这次失败也没有让谭有恒气馁。最终，他联合日本、意大利的科学家，发起“西藏计划”，并在西藏当雄建成了羊八井国际宇宙线观测站。

高山

1992年，曹臻成为羊八井国际宇宙线观测站的第一位值班人员。在海拔4300米的羊八井，大自然以最不动声色的方式，给他狠狠上了一课：“缺氧、晕厥、失眠。我一辈子都会在高山上，但这第一次就把我‘放翻’了，让我知道了高山的厉害。”

对宇宙线研究者来说，他们除了要爬现实中的高山外，还要和所有科学家一样，攀爬科学的高峰。1994年，依然对理论物理研究念念不忘的曹臻博士毕业。这时，一直没有跟风出国的他，还是决定去国际前沿的物理研究实验室看一看。他前往美国俄勒冈大学物理系，以研究助理的身份开展理论物理研究。

3年半后，他如梦初醒般发现，自己的心早已被宇宙线实验物理牵走。于是，他前往犹他大学，参与了当时国际最大的宇宙线实验之一 ——HiRes 的实验研究。他做的第一个课题就是分析HiRes 与同在犹他州的CASA-MIA 实验的联合观测数据。

那段时间，曹臻不仅发现了宇宙线能谱第二膝现象，还参与了一项重要发现——宇宙线能谱在10万拍（1拍=1000万亿）电子伏处存在GZK 截断现象，那是宇宙线穿越宇宙大爆炸遗留的“迷雾”（微波背景辐射）后，到达地球时的最高能量。穿过“迷雾”的光子，能够到达地球的最高能量应该在1拍电子伏。

然而，现实却是，人类目前测到的最高能量光子在0.1拍电子伏以下。“明明还有10倍的空间，为啥就会有这个‘极限’呢？”曹臻心里纳闷。“宇宙这么复杂，开展实验探索之前你是不知道的。”曹臻将原因归结为探测手段有局限。像所有实验物理学家一样，他开始盼望着能有一个更高性能的探测设备，帮助人类冲破多个极限，看清宇宙。

对手

2003年，尽管犹他大学向曹臻提供了副教授职位，旅美近10年的曹臻还是选择回到久别的高能所、羊八井。回国后，曹臻成为羊八井的中意合作ARGO-YBJ 实验的中方负责人。在他的领导下，羊八井的中意实验建成全覆盖式大型空气簇射阵列，并产出系列科研成果。

2008年，曹臻接到高能所通知：“国家在开展‘十二五’规划，你们可以考虑提一个大的宇宙线项目。”10多年积累的想法，顿时在曹臻的脑海里翻涌起来。冷静下来后，曹臻带领团队筛选出当时最具可行性的想法——将地面粒子探测与切伦科夫望远镜探测手段结合，实现多能区覆盖。之后，他们又在方案中增加了水切伦科夫探测器，以使整个项目同时覆盖高、中、低3个能区。这一想法最终变成了高海拔宇宙线观测研究的中国方案——LHAASO。

“能探测到的粒子能量越高，发现新现象的可能性也就越大。”曹臻介绍道。此时，他面临两个强劲的国际竞争者——欧洲科学家提出建设由100多台望远镜组成的切伦科夫望远镜阵列（CTA）计划，美国科学家则提出了高海拔水切伦科夫观测（HAWC）计划。

2009年，当曹臻第一次在国际会议上分享LHAASO 计划时，国际同行的目光都聚焦在欧洲和美国的计划上。不仅如此，还有一些人质疑LHAASO：“0.1拍电子伏就是极限，你们花这么多钱建这个东西，没准儿将来什么也看不见。”

LHAASO是我国第3代高山宇宙线实验站，不仅是目前国际上最先进的地面宇宙线探测站，更能够长期占据这类实验研究领域的制高点。这张捕捉光子“大网”的一个个节点，是布置在地面上的5216个粒子探测器和1188个缪子探测器，“大网”的中心是占地7.8万平方米的水切伦科夫探测器，其外侧是18台广角切伦科夫望远镜

方案

面对质疑和冷言，曹臻心里憋着一股劲儿：“中国方案必须靠实力来证明自己。”

在国内同行的共同努力下，LHAASO 方案越做越细。他们与地方政府反复沟通，把LHAASO 定在了四川稻城海拔4410米的海子山上，并在充分考虑工程建设环境的条件下设计出实施方案。高原瞬息万变的气候、海子山布满巨大漂砾的复杂地貌，让他们在最初设计时放弃了阵列核心区域局部范围的缪子探测器。

随着一半阵列的科学运行和相关物理分析的逐渐深入，曹臻意识到，缺失的阵列面积虽然不大，但影响不小。他便带领施工建设团队，在工程现场勘察，几易施工方案，最终，在冰积陇上补齐了缺失的阵列。

高原冬季寒冷，混凝土施工无法进行，曹臻等人便提出“边建设，边局部阵列运行”的思路。这也意味着，作为项目经理和首席科学家的曹臻，要做大量的调度和协调工作。那段时间，曹臻经常通宵达旦地工作，因为不放心工程现场，他高频次往返成都、稻城。在现场协调各项工作时，他和学生、工人们一起安装、调试。这些辛苦，曹臻很少公开说。“这不是我应该做的事吗？”曹臻耸耸肩。

孩子

2021年5月17日，LHAASO 国际合作组在《自然》发表成果。他们在银河系内发现大量超高能宇宙加速器，推翻了此前学界的判断，由此开启“超高能伽马天文学”时代。不到两个月，他们又在《科学》上发表成果，精确测量高能天文学标准烛光的亮度，挑战高能天体物理中电子加速的“标准模型”。

两次发布会上，曹臻都是发言人。他乐呵呵的大嗓门，让人很难把年近60岁的他与“花甲之年”这种词联系在一起。

这些成果让国际同行震惊。曾质疑过LHAASO 的科学家，纷纷向曹臻申请开展国际合作。国际科技期刊上也随之大量出现超高能伽马射线的研究，只要涉及超高能伽马射线研究，必提LHAASO。随着疫情消退，各种系列研究大会、研讨会纷纷重启，对LHAASO 的各种邀请纷至沓来。

2021年7月，LHAASO 完成全阵列建设并投入运行。而此时，曾被认为是高能伽马射线天文学大热门的欧洲的CTA 计划，只建成了1台望远镜；美国的HAWC 计划，探测器性能远不及LHAASO。“除了中国，其他地方都不可能如此迅速地实现LHAASO 计划。”曹臻说，光是LHAASO 的基建工程量，就足以让欧美国家望而却步。

对待LHAASO，曹臻就像对待自己的孩子一样，不管它有多成功，他总是不放心。隔三岔五，他就“上山转转”，看看数据运行情况好不好、线缆有没有松、装着探测器的水池外壳有没有坏……作为中国第3代宇宙线研究者，即将到退休年龄的曹臻，也已经把LHAASO 和从LHAASO 成长起来的第4代、第5代宇宙线研究者的未来安排得明明白白。

按照他的筹划，望远镜阵列团队未来可以在LHAASO 上再建32台望远镜，让LHAASO 有能力识别超高能宇宙线的发射位置，进一步逼近最终的答案；地面粒子探测器阵列团队，未来可以通过国际合作，去南半球建一个比LHAASO 大4倍的观测站，覆盖与LHAASO 不同的天区；水切伦科夫探测器团队未来可以建一个在湖底或海底的探测器阵列……

“未来的几十年，中国宇宙线研究团队都有活儿干。”曹臻又一次自信而爽朗地笑道，“该退休的时候我就退休。”