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      東西問丨曹臻:中國“拉索”何以引領宇宙線研究國際前沿?

      2023年05月17日 09:44    來源:中國新聞網

        中新社成都5月16日電 題:中國“拉索”何以引領宇宙線研究國際前沿?

        ——專訪“拉索”首席科學家、中國科學院高能物理研究所研究員曹臻

        中新社記者 孫自法

        聚焦宇宙線起源“世紀之謎”、已經拉開“超高能伽馬天文學”時代大幕的中國國家重大科技基礎設施——位于四川稻城海拔4410米的高海拔宇宙線觀測站(英文縮寫LHAASO,中文昵稱“拉索”),5月10日順利通過國家驗收,正式邁入全面開放運行階段。

        中國為什么要建設“拉索”、它有哪些特色與優勢、將如何引領宇宙線研究國際前沿并開展國際合作、未來進一步發展有什么規劃……“拉索”項目工程經理、首席科學家、中國科學院高能物理研究所(中科院高能所)研究員曹臻近日在成都的天府宇宙線研究中心,接受中新社“東西問”專訪,對備受矚目的大科學裝置“拉索”進行科普解讀。

        現將訪談實錄摘要如下:

        中新社記者:中國為什么要建“拉索”?與國外同類裝置相比,中國“拉索”有何特色與優勢?

        曹臻:宇宙線攜帶著宇宙起源、天體演化、太陽活動及地球空間環境等重要科學信息,研究宇宙線及其起源是人類探索宇宙的重要途徑。宇宙線自110年前發現研究至今,仍然是一門“年輕”的學科,尚未形成一個“標準模型”完整地描述其起源、加速及星際空間傳播的機制,宇宙線起源這一“世紀之謎”也被國際物理學界列為“新世紀11個科學問題”之一。

        對于由實驗主導的宇宙線研究領域來說,需要新一代的探測器以前所未有的靈敏度來開創一個新的時代。在21世紀第一個10年,各國紛紛提出下一代伽馬天文觀測大科學裝置計劃:歐洲國家提出建造100多臺切倫科夫望遠鏡組成的陣列(CTA)計劃;美國選擇了一條通過升級改造實現適度提升靈敏度的高海拔水切倫科夫探測器(HAWC)計劃;中國則提出建設“拉索”的計劃,正式參與這場全世界范圍內的科學發現比拼。

        作為中國自主提出并設計、建造的新一代伽馬射線望遠鏡和宇宙線探測裝置,“拉索”以探索高能宇宙線起源并開展相關高能輻射、天體演化以及暗物質分布等基礎科學研究為核心目標,它占地面積約1.36平方公里,由5216個電磁粒子探測器和1188個繆子探測器構成的1平方公里地面簇射粒子探測器陣列、7.8萬平方米的水切倫科夫探測器陣列、18臺廣角切倫科夫望遠鏡等三大陣列組成,采用4種探測技術,可全方位、多變量地測量來自于高能天體的伽馬射線和宇宙線。

        至于“拉索”的特色和優勢,目前可以概括為在三個方向上達到世界領先,也就是創造出三項“世界之最”:世界上最靈敏的超高能伽馬射線探測裝置,意味著能看到最多的可能性和開展最精細的研究;世界上靈敏度最高的甚高能伽馬射線源巡天普查望遠鏡,可對宇宙進行“普查”,找到更多的“源”;能量覆蓋范圍最寬的超高能宇宙線復合式立體測量系統,可對到達地球的宇宙線及粒子,做精細的區分并進行最寬廣能譜的測量,從而對宇宙線相關問題進行非常充分的研究。

      海拔4410米的大科學裝置“拉索”。孫自法 攝

        中國“拉索”建成運行,正以前所未有的伽馬射線探測靈敏度,將伽馬天文的研究帶入人類從未觀測過的新波段,繼“甚高能伽馬射線天文學”活躍30年之后,開啟并引領人類進入“超高能伽馬射線天文學”時代。

        中新社記者:“拉索”從預研到立項建設再到建成運行,堪稱“十多年磨一劍”,建設過程中突破了哪些關鍵技術?已取得哪些重大發現和研究成果?

        曹臻:“拉索”項目建設完成多項關鍵核心技術攻關,主要包括四個方面:一是首次在大視場成像切倫科夫望遠鏡中大規模使用新型硅光電管,改變了這類望遠鏡不能在月夜工作的傳統觀測模式,實現有效觀測時間的成倍增長;二是發展適應4000米以上高海拔野外工況的大面積、多節點、高精度時鐘同步技術,遠距離同步精度提升到0.2納秒,達到國際領先水平;三是采用中國國產20英寸超大型光電倍增管,并將時間響應提高了3倍;把觀測閾能從3000億電子伏降低到700億電子伏,大大擴展了觀測能力;四是在海量數據獲取技術上取得顯著進步,發展并實現“無觸發”數據獲;采用特殊的數據篩選技術,對海量數據進行無損壓縮,實現實時數據傳輸。

        由于“拉索”前所未有的超高能伽馬射線探測靈敏度和寬闊的視場,引起伽馬天文研究的革命性變化,僅在初步運行期間就已取得多項突破性的重大科學成果:“拉索”在銀河系內發現12個超高能伽馬光源,也就是超高能宇宙加速器候選天體,并記錄到人類觀測到的最高能量光子,達到1.4 PeV(拍電子伏,1拍=1千萬億),開啟了“超高能伽馬天文學”時代;“拉索”還精確測定“標準燭光”蟹狀星云的超高能段亮度,發現1拍電子伏伽馬輻射,挑戰理論極限。

        同時,“拉索”建設期間即開展觀測,并實現科學成果持續產出,截至目前,基于“拉索”項目發表的期刊論文累計215篇、會議論文156篇!袄鳌绷碛卸囗椫匾芯砍晒撐囊驯粚W術期刊接收,將于發表后對外公布。

      夜空下的大科學裝置“拉索”。孫自法 攝

        中新社記者:“拉索”項目設立的國際合作組如何發揮作用?迄今已取得哪些重要國際合作成果?這一大科學裝置怎樣既推動中國實現高水平科技自立自強、又開放服務世界造福全人類?

        曹臻:“拉索”是一個比較典型的國際合作項目,在宇宙線、粒子天體物理等領域被國際同行譽為科研“金礦”,實際上其觀測數據面向全人類,并通過全人類的共同研究來實現破解宇宙線起源之謎的最終目標。因此我們一開始就設計了國際合作組這樣一種傳統的合作組織方式,希望把國際上關注并能進行“拉索”項目相關研究的科學家和科研團隊,都吸引進來合作開展科學研究。另外,我們自己也不可能包攬一切做所有事情,國際團隊參與合作是一個非常好的解決方案。

        當然,中外團隊加入“拉索”國際合作組,也有一些必要的門檻設置來保證合作成效,其中就包括建立一個“能進能出”的評估機制,實現對國際合作組成員的動態優化調整。

        另一種國際合作方式是吸引國際優秀人才來華加入“拉索”團隊,直接到中科院高能所、天府宇宙線研究中心工作。正如中國俗話所說“栽下梧桐樹,引得鳳凰來”,由于“拉索”國際影響力不斷擴大,國際科技人才特別是年輕科研人員現在已向“拉索”聚集,包括發出求職請求等。

        “拉索”項目還充分發揮中科院建制化研究的優勢,面向世界全面開放共享。目前,已有28個天體物理研究機構成為“拉索”的國際合作組成員單位,利用“拉索”觀測數據開展粒子天體物理研究,同時進行宇宙學、天文學、粒子物理學等眾多領域基礎研究。隨著通過國家驗收投入正式運行,“拉索”也將成為以中國為主、多國參與的國際宇宙線研究中心,并借助高海拔伽馬天文、宇宙線的觀測優勢,成為獨具特色、綜合開放的科學研究平臺。

        我們希望通過中國“拉索”引領國際合作,把深入開展宇宙線研究取得的成果,逐步變成認識宇宙的重要組成部分。

        “拉索”已投入穩定的科學觀測運行,正以超越上一代望遠鏡幾十倍的超高能伽馬射線探測靈敏度,雄踞世界之首,引領未來的伽馬射線天文學研究的發展。相信在未來10年、20年內,全世界基于“拉索”觀測數據開展分析研究,發表高水平科研論文,都將為人類進一步理解、解釋宇宙作出中國貢獻。

      大科學裝置“拉索”布設的探測陣列。孫自法 攝 

        中新社記者:“拉索”順利通過國家驗收有哪些重要意義與深遠影響?未來發展有何目標和規劃?

        曹臻:“拉索”的初步觀測結果已經刷新了紀錄,新現象層出不窮,并正在不斷創造奇跡,向人們展現宇宙神秘的細節,引發革命性的思考。令人驚嘆的是,目前發現僅僅用到“拉索”設計能力的幾十分之一,隨著“拉索”統計性的積累,未來還會有許多重要的、劃時代的發現。這也將使得“拉索”在宇宙線研究史上,扮演一個推開蘊藏著謎底的密室大門的重要角色,宇宙中一個個“拍電子伏加速器”好比是鎖著謎底的“百寶箱”,已經呈現在“拉索”面前。我們將不懈努力探索每一個“拍電子伏加速器”的超高能伽馬輻射機制和粒子加速機制,直到完全揭開宇宙線起源之謎。

        通過國家驗收和全面開放運行后,“拉索”首要工作就是積累觀測數據,確保未來10年、20年穩定運行,在此基礎上組織科學團隊開展深度科學研究,將“拉索”觀測積累的紛繁復雜數據利用好、研究好,產出高水平科研成果。

      科研人員在大科學裝置“拉索”控制室工作。孫自法 攝

        “拉索”未來部署上主要有三個方向:一是要加強“拉索”目前尚不具有的某些方面能力,這個投入相對比較少,因為大科學裝置已經建成,可以提供很多支撐;二是“拉索”要擴展新的未知領域,比如中微子天文研究方向;三是積極參與在南半球建“拉索”的大型國際合作,因為南半球位置的天區能看到銀河系的中心,而北半球看不到,在南半球建“拉索”,就可以擴展“拉索”視野,并將兩者發現的重大科研成果進行檢驗和對比研究。國際“南天大視場伽馬射線天文臺”(SWGO)項目已向中國“拉索”發出邀請,我們也組建了“中國SWGO合作團隊”。

      大科學裝置“拉索”布設的探測陣列。孫自法 攝

        總之,“拉索”讓人類發現宇宙之旅來到了一個新的高度,但絕不是可以停下來的高度。展望未來,我們要通過“拉索”團結中外宇宙線研究隊伍,向著更高、更深、更難的科學目標前進。(完)

        受訪者簡介:

      “拉索”首席科學家、中國科學院高能物理研究所曹臻研究員。孫自法 攝

        曹臻,中國科學院高能物理研究所研究員,“拉索”項目工程經理、首席科學家。曹臻研究員自1994年起活躍于中外宇宙線和伽馬天文領域,參與多個國際知名宇宙線實驗,領導和設計了多個大型實驗及其探測裝置,并實施了相關探測器的研制。

        曹臻研究員在科研歷程中已取得多項重要成果,在國際專業刊物發表130多篇科學論文,總引用率超過5500次。他從2007年起任中國物理學會高能物理分會常務委員,曾任國際純粹與應用物理聯合會(IUPAP)粒子天體物理委員會(C4)成員、粒子天體物理國際委員會(WG10)成員等。

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