探索宇宙起源再添“国之重器”！位于四川稻城的高海拔宇宙线观测站通过国家验收

宇宙线携带着宇宙起源、天体演化、太阳活动及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索宇宙的重要途径。如今，人类探索宇宙奥秘的梦想正在成为现实。

5月10日，位于四川省稻城县海子山的国家重大科技基础设施高海拔宇宙线观测站（LHAASO，中文音译“拉索”）顺利通过国家验收。受国家发展和改革委员会委托，中国科学院会同四川省组织本次验收会，来自国家发改委、中咨公司、科研院所、高校等单位的20余位专家出席了验收会。验收委员会认为，项目法人单位中国科学院成都分院和共建单位中国科学院高能物理研究所按期、全面、优质完成了国家发展改革委批复的建设任务，各项指标达到或优于批复的验收指标。

LHAASO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，整体性能可靠，具备长期稳定的科学运行能力。LHAASO利用特定地域4410米优越的高海拔条件和先进技术优势，成为目前世界上最灵敏的超高能伽马射线探测装置、世界上灵敏度最高的甚高能伽马射线源巡天普查望远镜，以及能量覆盖范围最宽的超高能宇宙线复合式立体测量系统。LHAASO的建成运行，使之成为目前国际粒子天体物理三大实验设施之一，对促进该领域实现重大原创突破、带动前沿交叉相关学科发展和国际合作具有重要意义。

布局三大探测器阵列

探索宇宙起源有了“千里眼”

“作为宇宙的一个组成部分，虽然宇宙线在100多年前被发现，但人类还没有找到其起源，这成为科学界持续攻坚的一个课题。通过精确测量候选天体，去找到宇宙线存在的证据，同时还要进行精确测量宇宙线的成分及其强度，这样才能把整个宇宙线的基本情况搞清楚。”LHAASO项目首席科学家、中国科学院高能物理研究所研究员曹臻说。

全球科学界一直在针对宇宙线观察展开科技竞赛。LHAASO是我国以宇宙线观测研究为核心的国家重大科技基础设施，2015年12月31日，LHAASO获得国家发展和改革委员会批复立项。该项目采取中国科学院和四川省人民政府共建的模式，由中国科学院成都分院与中国科学院高能物理研究所承担建设，建设周期4年。2017年LHAASO主体工程动工，2021年全部完成建设。

宇宙线粒子进入大气层后，会与大气中的原子核发生多次相互作用，可形成上百亿个次级粒子，而这些粒子就像一场“阵雨”一样，瞬间降落在面积多达平方公里的地面。较浅的大气深度，可以减少对这些粒子的吸收。四川省稻城县海子山所在地海拔高，土地平整开阔，水、电、路、网一一俱全，具备观测站建设与运行的最佳条件。

LHAASO所在的四川省稻城县海子山站址平均海拔4410米，占地面积约1.36平方公里，由5216个电磁粒子探测器和1188个缪子探测器构成的一平方公里地面簇射粒子探测器阵列、水切伦科夫探测器阵列、18台广角切伦科夫望远镜等三大阵列组成。“其中，水切伦科夫探测器阵列达78000平方米，这是世界上面积最大、体积最大的人工水切伦科夫探测装置。”曹臻说。

LHAASO采用四种探测技术，可以全方位、多变量地测量来自于高能天体的伽马射线和宇宙线。充分利用世界屋脊的高海拔优势，LHAASO成为目前世界上最灵敏的超高能伽马射线探测装置、世界上灵敏度最高的甚高能伽马射线源巡天普查望远镜，以及能量覆盖范围最宽的超高能宇宙线复合式立体测量系统。

攻坚多项关键核心技术

从稻城到北京实现实时数据传输

曹臻介绍，2021年7月，LHAASO项目全阵列完成建设并投入科学运行，团队通过自主创新和国际合作，完成了多项关键核心技术攻关。比如，首次在大视场成像切伦科夫望远镜中大规模使用新型硅光电管。“它的科学目标是测量宇宙线，实现了在有月甚至满月的晚上正常开机观测，突破了传统切伦科夫望远镜有效观测时间短的瓶颈，其有效观测时间是传统光电增管技术的两倍。”曹臻说，大规模应用这种光电探测器在世界粒子天体物流领域尚属首次，在高能宇宙射线切伦科夫望远镜技术上达到国际先进水平。

此外，LHAASO项目团队发展了基于“小白兔”技术、适应4000米以上高海拔野外工况的大面积、多节点、高精度时钟同步技术，远距离同步精度提升到0.2纳秒，达到国际领先水平；采用了国产20英寸超大型光电倍增管，并将时间响应提高了3倍，从而把观测阈能从3000亿电子伏降低到700亿电子伏，大大扩展了观测能力。

在观测宇宙线的过程中，LHAASO项目能在最快的时间内获取海量观测数据，然而这也对数据处理技术带来了挑战。

“来自甘孜州的这些观测数据要传回北京进行分析，我们在稻城观测地建设了一个算力中心，在无人值守的情况下，在山上就可以非常精准地处理数据并及时传回来。”曹臻提到，团队打造了一套数据获取的网络系统，可宇宙线事例实现“零死时间”观测，通过对海量数据进行无损压缩，实现从甘孜州海子山到北京的实时数据传输。

取得一批重大科技成果

采取国际通行的“合作组”模式运行

在前期初步运行期间，LHAASO项目基于其超高的探测灵敏度帮助科研团队取得多项突破性的重大科学成果。通过精确测量候选天体的伽马射线宽范围能谱，可以寻找宇宙线源存在的证据。LHAASO在银河系内发现了大量超高能宇宙加速器候选天体，并记录到人类观测到的最高能量光子，开启了“超高能伽马天文学”时代。此外，LHAASO精确测定了标准烛光蟹状星云的超高能段亮度，发现1千万亿电子伏伽马辐射，挑战理论极限。

由于LHAASO在建设期间便推动实施一批观测实践，科学成果也持续产出。据项目科研团队统计，截至目前，基于LHAASO项目发表的期刊论文累计约215篇，会议论文约156篇。

LHAASO在建设期间便采取多方协作的方式，除了中科院外，中国科学技术大学，清华大学、山东大学、四川大学、云南大学等高校参与其中。项目正式运行后，将充分发挥中国科学院建制化研究的优势，依托设施开展观测与理论研究，并面向国内外全面开放共享。

“我们采取国际通行的合作组模式，科研单位以签订正式合作协议的方式加入LHAASO合作组，数据对合作组全部成员开放。拟每年举行两次合作组大会，讨论运行与观测计划，交流利用与分析LHAASO数据的研究进展与成果。”曹臻说，合作组利用LHAASO观测数据进行粒子天体物理研究，正在开展的研究课题达76个，其中来自高校承担的项目达32个。

目前，已有28个天体物理研究机构成为LHAASO的国际合作组成员单位。合作组除了利用LHAASO观测数据开展粒子天体物理研究外，同时进行宇宙学、天文学、粒子物理学等众多领域的基础研究。LHAASO将成为以中国为主、多国参与的国际宇宙线研究中心，借助高海拔伽马天文、宇宙线的观测优势，成为独具特色、综合开放的科学研究平台。

依托LHAASO项目，一些跨学科的研究也在进行中。“LHAASO为大气、气象、空间环境等前沿交叉学科研究提供了实验平台，推动一批交叉学科的原创性研究取得进展。”曹臻说。

红星新闻记者叶燕宋嘉问摄影记者王勤

编辑柴畅