2025年“拉索”团队将产(chan)出更多成果(guo)。曹臻说，目前多篇论文已经进(jin)入审稿过程，团队还将围绕黑(hei)洞、超新星遗迹、星团等各类宇宙线加速源开展深入研(yan)究。

“拉索”精确测量迄今最亮伽马暴(bao)的(de)高能辐射能谱示意图 中国科学院高能物理研(yan)究所(suo)供图

“最亮的(de)眼睛”

站(zhan)在海拔(ba)4410米的(de)海子山上眺望，可以看到在一大片(pian)圆(yuan)形区域内，有数千个不同类型的(de)探测器有序排(pai)列，形成一个观测阵列，时(shi)刻捕捉着(zhe)来自宇宙空间的(de)高能粒子流——宇宙线。

宇宙线包(bao)括质子、电子、伽马射线等。上世纪80年代我国拥有第一台高能加速器之前，我国高能粒子物理的(de)实验研(yan)究基(ji)本是依(yi)靠宇宙线，即将探测器放置在高山，记录并研(yan)究从(cong)外太(tai)空下来能量很高的(de)宇宙线粒子。

我国高海拔(ba)地区具备放置探测器的(de)理想场所(suo)，日本科学家(jia)曾与我国科研(yan)人员合作，把探测器安装在西藏甘(gan)巴拉山进(jin)行实验。“我们也是合作组成员，但数据(ju)完全控(kong)制在日本科学家(jia)手中，我们使用数据(ju)非常受限(xian)，得到的(de)大多是经过他(ta)们研(yan)究之后的(de)数据(ju)。”曹臻告诉记者(zhe)。

2004年，旅美近十年的(de)曹臻回国工作，彼时(shi)，中国和(he)意大利科学家(jia)正共同合作推动西藏羊八井ARGO项(xiang)目，旨在通过探测宇宙线来研(yan)究宇宙中的(de)高能物理现象。自2004年起，在曹臻带领下，中方团队积极(ji)参与了ARGO的(de)建设(she)和(he)调试等环节。最终，该实验设(she)施于2006年建成并投(tou)入运行。这一过程中，我国的(de)粒子探测器研(yan)制技术取(qu)得了突(tu)破，为后来我国独立自主建设(she)“拉索”打下了基(ji)础。

在国际宇宙线探测技术突(tu)飞猛进(jin)的(de)竞争环境中，各类高性能粒子探测器不断进(jin)步迭代，“拉索”也应运而生。在2009年的(de)一次香山科学会议(yi)上，曹臻首次与专(zhuan)家(jia)们探讨了关(guan)于“拉索”的(de)构想。

在这一构想中，“拉索”能测量到宇宙中到达地球光子的(de)最高能量在1拍电子伏特(te)（1PeV）左右，而当时(shi)人类探测器能测到的(de)光子最高能量只有0.1拍电子伏特(te)以下。

为实现从(cong)0.1PeV到1PeV的(de)跨越，“拉索”需要全方位覆盖宇宙线与伽马射线从(cong)低到高的(de)宽广能量范围，团队采用多种探测技术相结合的(de)方式，整合地面粒子探测阵列、水切伦科夫(fu)探测器阵列、望远镜探测阵列等多种技术手段，能够探测并分析跨越多个数量级能量的(de)粒子和(he)辐射，从(cong)而提供对宇宙高能现象更深入的(de)理解。

从(cong)“拉索”观景台上望去，可以看到一个个土包(bao)有序排(pai)列，这就(jiu)是由5216个电磁粒子探测器和(he)1188个缪子探测器组成的(de)一平方公里地面簇射粒子探测器阵列，主要用于探测由高能宇宙线或伽马射线与地球大气层相互作用时(shi)产(chan)生的(de)空气簇射中的(de)次级粒子。该探测器是目前世界上最灵(ling)敏的(de)超高能伽马射线探测装置。

沿(yan)着(zhe)工作人员手指的(de)方向，可以看到在所(suo)有土包(bao)围绕的(de)中心区域，有一个覆盖银灰色顶棚的(de)“品(pin)”字形方块(kuai)区域，顶棚之下有两个边长150米的(de)正方形水池，还有一个长300米、宽110米的(de)长方形水池，这三个水池里面装了36万吨纯净水，相当于167个标准游泳(yong)池的(de)水量，7.8万平方米的(de)水切伦科夫(fu)探测器阵列就(jiu)在这三个水池中，水池底部有3210个探测单元，里面安装了我国自主研(yan)发的(de)超大型光电倍增管。光电倍增管是水切伦科夫(fu)探测器的(de)核心单元，可以用来探测伽马光子。“拉索”团队与研(yan)制部门通力合作，突(tu)破了20英寸光电倍增管高精度(du)时(shi)间测量的(de)技术难题，推动我国在此领域的(de)技术水平达到了新高度(du)。该探测器也成为目前世界上最灵(ling)敏的(de)甚高能伽马射线源巡天观测装置，为后续(xu)观测到历史最亮伽马射线暴(bao)提供了技术手段。

此外，18台广角切伦科夫(fu)望远镜也排(pai)列在“拉索”观测阵列中，它能够用来探测能量相对较高的(de)宇宙线粒子。团队大规模应用了硅光电倍增管，突(tu)破了传统探测器不能在月(yue)夜工作的(de)瓶颈，望远镜有效观测时(shi)间成倍增加。

2021年7月(yue)，“拉索”完成了全阵列建设(she)并投(tou)入运行，成为国际宇宙线研(yan)究中最受关(guan)注的(de)大科学装置，至今已取(qu)得系列重(zhong)大成果(guo)。“‘拉索’是世界上重(zhong)要的(de)粒子天体物理支柱性实验设(she)施之一，是能量覆盖范围最宽的(de)超高能宇宙线复合式立体观测系统，它所(suo)提供的(de)独特(te)研(yan)究机会将极(ji)大地促进(jin)我国乃至全世界在该领域的(de)科学研(yan)究迈向新高度(du)。”曹臻说。

探测到“千年不遇(yu)”的(de)历史最亮伽马射线暴(bao)

2022年10月(yue)9日21点，“拉索”接收(shou)到了宇宙深处传来的(de)伽马射线暴(bao)GRB221009A，并完整记录了这一迄今最亮伽马暴(bao)的(de)万亿电子伏特(te)伽马射线爆发全过程。

GRB221009A来自约20亿光年之外——一颗比太(tai)阳重(zhong)20多倍的(de)大质量恒(heng)星燃烧完其核聚变燃料，恒(heng)星核心无法再通过核聚变产(chan)生足够压力来抵抗自身引力，从(cong)而导致核心快(kuai)速坍缩，这一过程触发了一场剧烈的(de)超新星爆发，并发出了一个持续(xu)几百秒的(de)“宇宙烟花”。这一伽马暴(bao)产(chan)生的(de)伽马光子经过20多亿年的(de)旅程到达地球，“拉索”成为全球唯一一个正对这场伽马射线暴(bao)的(de)地面探测器。

曹臻用“非常幸运”形容此次观测，在他(ta)看来，这是一次极(ji)小(xiao)概率事(shi)件，一场持续(xu)几百秒的(de)极(ji)亮伽马暴(bao)，经过长距离“飞行”来到地球，“就(jiu)像宇宙中有人打开了一支手电筒亮了几分钟，20亿年后恰(qia)好照在我们身上。”

对比同能区其他(ta)实验装置，甚至专(zhuan)门设(she)计来追踪伽马暴(bao)的(de)设(she)备，由于所(suo)处不同时(shi)区错失了这次观测良机，它们以前测到的(de)伽马暴(bao)事(shi)件中，光子数目仅在千个以下的(de)水平。而“拉索”收(shou)集到了6万多个伽马光子。

此外，“拉索”记录了万亿电子伏特(te)伽马射线流量增强和(he)衰减的(de)整个阶段。伽马暴(bao)事(shi)件初始阶段的(de)巨大爆炸被称为“主爆”，表现为强烈的(de)低能伽马射线辐射，这是最亮的(de)电磁事(shi)件之一。“主爆”产(chan)生的(de)接近光速的(de)爆炸物与周围环境气体碰撞则产(chan)生“后随爆炸”。“后随爆炸”也被称为“余(yu)辉”，是一个亮度(du)迅速增大然后逐(zhu)渐减弱的(de)辐射阶段。在“余(yu)辉”过程中，激波会将电子加速，并在磁场中发出同步辐射光，高能电子通过与同步辐射光子碰撞把能量传输给(gei)光子，于是就(jiu)产(chan)生了“拉索”能够探测的(de)非常高能的(de)光子辐射。

近几年，全球有多个望远镜观测到了伽马暴(bao)万亿电子伏特(te)能量的(de)“余(yu)辉”。但由于望远镜一次只能观测一个点、一颗星，需要一定时(shi)间转到伽马暴(bao)方向，已有观测只看到起爆60秒以后的(de)“余(yu)辉”衰减阶段，并没有描绘出甚高能“余(yu)辉”完整的(de)时(shi)间演化(hua)过程。

“拉索”拥有广阔(kuo)的(de)观测视野，可以覆盖大面积的(de)天空，不同的(de)探测器阵列能够全方位接收(shou)粒子“阵雨”信息。并且恰(qia)逢这场伽马暴(bao)在爆发期间刚好处在“拉索”的(de)观测视野范围内，人们第一次完整地看到了高能“余(yu)辉”从(cong)上升(sheng)到下降的(de)演化(hua)过程。“拉索”完整地记录了“余(yu)辉”整个过程，实现了其他(ta)实验没有达到的(de)对高能量波段光变过程的(de)教科书式的(de)记录，为理解伽马射线暴(bao)及其后续(xu)效应提供了全新的(de)视角。

2023年11月(yue)16日，“拉索”团队向全球发布GRB221009A高能伽马辐射的(de)精确能谱，该能谱挑战了传统的(de)伽马暴(bao)“余(yu)辉”的(de)标准辐射模型，揭示出宇宙背景光在红外波段强度(du)低于预期，这对于理解星系形成和(he)演化(hua)、宇宙结构的(de)增长等具有深远影响。这份能谱为检验爱因(yin)斯坦相对论的(de)适用范围、探索暗物质候选粒子——轴子等提供了重(zhong)要信息。受访(fang)专(zhuan)家(jia)认为，此次爆发“千年不遇(yu)”的(de)稀缺性，“拉索”的(de)观测结果(guo)预期将在今后很长时(shi)间内保持最佳。

为人类宇宙线知识体系作出中国引领

2024年，“拉索”研(yan)究团队在天鹅座(zuo)恒(heng)星形成区发现了一个巨型超高能伽马射线泡状结构，这是人类历史上首次发现能量高于1亿亿电子伏特(te)宇宙线的(de)起源天体。成果(guo)在《科学通报》上发表后再次引起学术界的(de)轰动，成为当今宇宙线研(yan)究的(de)重(zhong)要里程碑。

“做出了世界一流的(de)科学成果(guo)，我们就(jiu)为世界宇宙线知识体系作出来自中国的(de)贡献，我们的(de)思想自然而然地融入人类文明的(de)历史。”曹臻说。他(ta)还记得，2019年，一次国际学术大会主办方拒绝了中国宇宙线研(yan)究团队做大会报告的(de)申请。如今，基(ji)于“拉索”项(xiang)目发表的(de)期刊论文已超过200篇，会议(yi)论文超过150篇，在国际诸多宇宙线学术会议(yi)上，中国团队是座(zuo)上宾，“拉索”的(de)报告总是被排(pai)在最前面。

“拉索”已经领导宇宙线研(yan)究的(de)国际前沿(yan)，曹臻以开放的(de)姿态欢(huan)迎国际研(yan)究团队加入到“拉索”项(xiang)目中，“每个科学家(jia)都有自己的(de)局限(xian)性，合作才能最大限(xian)度(du)发挥‘拉索’的(de)效能。我们的(de)科研(yan)是为全人类服务的(de)。”

目前，在四川省的(de)大力支持下，“拉索”正准备再添加32台望远镜，使其角度(du)分辨率由原来的(de)0.2度(du)提升(sheng)至0.04度(du)。这好比从(cong)能看见月(yue)亮上的(de)一片(pian)片(pian)“海”，提高到能看清楚一座(zuo)座(zuo)“环形山”。这将助力“拉索”突(tu)破现有研(yan)究局限(xian)，继(ji)续(xu)在宇宙线领域保持国际领先地位。“‘拉索’将成为以中国为主、多国参与的(de)国际宇宙线研(yan)究中心，借(jie)助高海拔(ba)伽马天文、宇宙线的(de)观测优势(shi)，成为独具特(te)色、综合开放的(de)科学研(yan)究平台。”对于“拉索”未来的(de)发展，曹臻信心十足。

不仅如此，从(cong)“拉索”成长起来的(de)水切伦科夫(fu)探测器团队正在推动一个全新研(yan)究项(xiang)目——高能水下中微(wei)子望远镜项(xiang)目（HUNT）。HUNT将以前所(suo)未有的(de)灵(ling)敏度(du)，探测银河(he)系内部高能天体中微(wei)子点源，从(cong)而有望为宇宙线起源的(de)百年未解谜题放进(jin)最后一块(kuai)拼图。

曹臻介绍，目前HUNT项(xiang)目正处于预先研(yan)究阶段，向深海进(jin)军面临(lin)巨大的(de)技术挑战，同时(shi)也带来了海洋科学研(yan)究的(de)巨大机遇(yu)，已有国内外涉及高能物理、天体物理、海洋科学等十余(yu)家(jia)科研(yan)院校近70人参与，项(xiang)目概念设(she)计已经初步成形，探测器的(de)多项(xiang)关(guan)键设(she)备和(he)技术在俄罗斯贝加尔(er)湖和(he)中国南海分别进(jin)行的(de)样机试验中逐(zhu)渐得到发展与完善，项(xiang)目将为天文学和(he)物理学研(yan)究提供崭新视角。■