20多亿年前，在距离太阳系约24亿光年的遥远宇宙空间，一颗质量是太阳20多倍的“超级太阳”在走向终结的瞬间发生坍缩，引发了一场规模宏大的爆炸，发出了一个持续几百秒的巨大“宇宙烟花”——伽马射线暴。火球与星际物质碰撞产生的大量万亿电子伏特（TeV）高能伽马光子穿过茫茫宇宙，径直飞向地球。

北京时间2022年10月9日21时20分50秒，这股由高能光子组成的宇宙洪流抵达地球，“击中”了位于中国四川稻城海拔4410米海子山上的宇宙线观测站“拉索”。“拉索”完整记录了迄今最亮伽马暴GRB 221009A的万亿电子伏特伽马射线爆发全过程，“拉索”国际合作组在此基础上取得一系列观测研究成果，刷新了对伽马暴的认知。这在伽马暴研究历史上具有里程碑意义。

伽马射线暴是什么？研究伽马射线暴的意义在哪？中国为什么要建设“拉索”？“拉索”有哪些特色与优势？它是如何接收“宇宙来信”的？……在四川科学技术出版社出版的新书《拉索：打开人类高能宇宙新视界》上市之际，我们独家对话“拉索”工程总指挥、首席科学家，中国科学院院士，中国科学院高能物理研究所研究员曹臻，对备受瞩目的国之重器“拉索”进行科普解读，揭秘重大科技成果背后那些鲜为人知的科学家故事。

▲宇宙线观测站“拉索”。（图源自四川科学技术出版社《拉索：打开人类高能宇宙新视界》）

●宇宙线无处不在、无时不在

想要了解伽马射线暴，首先就得知道宇宙线。作为人类目前能从宇宙深处获得的唯一物质样本，宇宙线是被称为传递宇宙大事件的信使。其主要成分是来自宇宙空间的高能带电粒子流，包括以质子为主的各类元素的原子核及少量高能电子。“科学家发现，大约89%的宇宙线是单纯的质子或氢原子核，约10%是氨原子核或阿尔法粒子，在其余的1%中，电子占了绝大部分，伽马射线和超高能中微子只占极小的一部分。”曹臻如是说道。

宇宙线无处不在、无时不在。“除非钻入千余米深的地壳深处或洞穴之中，否则地球上的万物每时每刻都会受到这些带电粒子持续不断的‘轰击’，而且其单位面积的接收频度大得令人瞠目。宇宙线不但强度惊人，而且每个粒子的能量也高得惊人。北京正负电子对撞机中每个电子/正电子的能量是1.6 GeV，海平面大约40%的宇宙线粒子都高于这一能量。”曹臻进一步解释道，“迄今记录到的宇宙线粒子的最高能量达到300 EeV，以接近光速的速度飞向地球，相当于一个质子携带了一个时速为120千米的棒球的能量，比人类制造的最大加速器——欧洲核子研究中心的大型强子对撞机产生的粒子能量还要高约3000万倍。”

这里涉及到一个科学名词——eV。在曹臻、白云翔所著的《拉索：打开人类高能宇宙新视界》一书中对其做了如下解释：eV代表电子伏特，是高能物理常用的能量单位。1 eV是一个电子经过1V电压加速后所获得的动能。位于北京的正负电子对撞机最高可以将电子加速到2.48 GeV。位于日内瓦的大型强子对撞机最高能将粒子加速到6.8 TeV，是目前人类加速粒子的极限。

宇宙线作为宇宙组成的一部分，在包括地球演化、人类演化在内的宇宙演化史中，扮演着重要的角色。研究表明，宇宙线深度参与了物种进化，新物种的产生离不开宇宙线的影响。我们熟知的太空育种就是利用了空间的宇宙线辐射和失重等特殊环境，诱发基因的改变，获得改良品种。在生命数十亿年的演化进程中，宇宙线本身就是构成“我们”的一部分。

▲海子山“拉索”工程建设现场。（图源自四川科学技术出版社《拉索：打开人类高能宇宙新视界》）

●宇宙线成了牵动高能物理向前发展的“线”

1912年，奥地利物理学家赫斯首次发现宇宙线。此后的100多年间，与之相关的探索与研究已经产生了6枚诺贝尔奖牌，但人类却始终没有发现宇宙线的起源。宇宙线起源这一“世纪之谜”也被国际物理学界列为“新世纪11个科学问题”之一。“宇宙线来自哪里，它们是如何被加速到如此之高的能量，它们从其发源地传播到地球的遥远路途当中都经历了怎样的宇宙空间环境，一直是困扰科学家的问题。”曹臻说，“事实上，宇宙线已经成了牵动高能物理向前发展的‘线’，而且是牵动了多个学科并贯穿其间的关键之‘线’。因此，若能参透宇宙线的奥秘，解答以上问题，那么不仅能把存在于高能物理中宇宙线的问题解决，还有可能为其他学科中的各类问题解惑，或者为它们的发展纾困。”

基于人们对宇宙线长期观测、研究的结果，我们已经知道，到达地球的原初宇宙线粒子主要是各种原子核，以氢核（即质子）居多，包括约十万分之一的光子和更多一些的电子，以及为数不多的中微子。曹臻表示，光子和中微子因不受星际磁场偏转的影响，成为最理想的信使候选者，是探源的最佳媒介。因此，在观测中收集宇宙线的电中性粒子的工作就变得尤其关键。“电中性的伽马光子、中微子，以及荷电的超高能原子核成为直接指向宇宙线源头的三种理想信使，形成了当今宇宙线研究的三大前沿领域。其中，尤以甚高能伽马天文学发展得最为充分。”

伽马天文学就是以伽马光子作为信使的天文学研究。据《拉索：打开人类高能宇宙新视界》一书介绍，光子是最传统的宇宙信使，人类借助它不但可以直接看见遥远的天体，还可以监测其变化从而了解天体演化规律。宇宙中大多数高能活动中，超新星爆发、活动星系核、黑洞、伽马射线脉冲星、暗物质等事件的发生，均伴随着强烈的伽马辐射。曹臻说，伽马光子是宇宙线中的高能粒子。“国际上目前采用两种常见的方法探测这些甚高能伽马光子。第一种方法是大气切伦科夫望远镜技术，通过记录大气簇射中的次级粒子发出的切伦科夫光，反推进入大气顶端的高能伽马射线。第二种方法是在地面上布置一定规模的探测器阵列，通过记录伽马光子进入大气后所产生的广延大气簇射次级粒子，反推原初伽马射线的方向和能量。相比于成像望远镜，广延大气射阵列的视场更大，随着探测器规模的增加，探测的能段也可以更高，并且可以全天候不间断探测，大大提高了测量的统计量。

对于由实验主导的宇宙线研究领域来说，需要新一代的探测器以前所未有的灵敏度来开创一个新的时代。中国提出建设“拉索”的计划，正式参与这场全世界范围内的科学发现比拼。

▲2016年9月，曹臻（左二）在“拉索”工程现场查看地方配套工程进度。（图源自四川科学技术出版社《拉索：打开人类高能宇宙新视界》）

●国际宇宙线学界出现了越来越多的来自中国的声音

在人类100多年的宇宙线研究中，中国处于什么样的地位，中国的科学家们都做过什么，中国的宇宙线观测水平在世界上处于什么地位，应该是我们都比较关心的问题。“早在20世纪三四十年代，就有中国的杰出青年在世界顶级物理学家的实验室工作，后来他们的老师、同学也有人先后获得了诺贝尔物理学奖。在宇宙线研究蓬勃开展的年代，他们因为自己的国家处于战争中，错过了重要的学术研究时间，也没有条件参与宇宙线的国际研究。”提及过往，曹臻感慨万千，“两年一届的国际宇宙线大会自1947年开始举办，历经了半多世纪，中国一直无缘参与，直到羊八井观测站的崛起才打破这局面。第32届国际宇宙线大会于2011年8月在北京成功召开。自此，国际宇宙线学界出现了越来越多的来自中国的声音。2021年，中国的科学家在自己设计建造的探测装置‘拉索’上，发现了银河系普遍存在千万亿电子伏量级的‘宇宙加速器’，从此开始中国的宇宙线研究赢得国际话语权。”

据公开资料显示，中国的高山宇宙线实验室经历了3个发展阶段，每个阶段都以建造大型试验设备为标志。1954年，中国第一个高山宇宙线实验室在海拔3180米的云南东川落雪山建成。1989年，在海拔4300米的西藏羊八井启动了中日合作的宇宙线实验：2000年，启动中意ARGO实验。“拉索”是第三代高山宇宙线实验室。

“拉索”的全称是高海拔宇宙线观测站，来自于站名英文缩写LHAASO（Large High Altitude Air Shower Observatory）的音译。中国为什么要建“拉索”？曹臻道出了其中的原委。“20世纪80年代，我们还是不能实现全面自主地建设宇宙线观测站。根据当时国内的科研条件和经济情况，虽然我们抓住时机通过羊八井观测站与日本的团队进行合作，成为合作者，但没有主导权，实际操作的主导权还在日方。那时观测整理数据，到写成论文在国际上发表，日方都是主导者，我方处于协助地位，包括文章署名。2009年，基于羊八井观测站两个大型科学实验的实践经验，我们提出应该选出综合条件更优越的站址建设高海拔宇宙线观测站，采用多种探测手段实现复合、精确的测量，大幅提高灵敏度，覆盖更宽广的能谱，建设第三代伽马天文探测器。”“拉索”因此诞生。

▲曹臻（右）在现场检查电子安装情况。（图源自四川科学技术出版社《拉索：打开人类高能宇宙新视界》）

●中国科学家想赢得属于自己的学术尊严

与国外同类装置相比，咱们的“拉索”优势明显。“‘拉索’是世界上灵敏度最高、规模最大的宇宙线探测装置，拥有三个世界之最：目前世界上灵敏度最高的超高能伽马探测装置，意味着能看到最多的可能性和开展最精细的研究；世界上灵敏度最高的甚高能伽马射线源巡天普查望远镜，可对宇宙进行‘普查’，找到更多的‘源’；能量覆盖范围最宽的超高能宇宙线复合式立体测量系统，可对到达地球的宇宙线及粒子，做精细的区分并进行最宽广能谱的测量，从而对宇宙线相关问题进行非常充分的研究。”谈及“拉索”，曹臻是如数家珍，话语中洋溢着无比的自豪，“‘拉索’是‘十二五’期间启动的国家重大科技基础设施项目，观测装置坐落于平均海拔4410米的四川甘孜稻城海子山。其核心科学目标是探索高能宇宙线起源及相关的宇宙演化、高能天体演化和新物理前沿的研究。通过开展全天区伽马源扫描并精确测量伽马能谱，积累各种伽马源的统计样本；通过对辐射机制的探索发现高能粒子的加速源，测量单成分宇宙线能谱，确定‘膝’的位置，实现空间的宇宙线直接测量和地面的空气簇射测量之间的无缝连接，完成宇宙线能谱的连续性、一致性测量，开拓暗物质等新物理研究前沿课题。”

然而，当中国刚提出建造“拉索”的设想时，一些国外科学家认为根本没有必要，因为按照他们的理论计算和推测，再先进的探测装置，最终可能也是一无所获，完全是一种浪费。“人类社会从来都不缺偏见，尤其在他们主观上认为你弱小的时候。科学界也是如此。当外国同行一众人等被思维定式限制，尤其是站在‘高处’向下‘俯视’的时候，来自国际科学界的偏见仿佛把时光又拉回了当年苏联专家摇头对世界说中国宇宙线研究是‘零’的那一刻。前辈们的愤愤不平和心有不甘才稍稍平息，后来人的遭遇又如出一辙。如果说科学家有国界，中国三代宇宙线学人想拥有自己的实验设施，在国际上赢得主动，就是他们的国界，中国科学家想赢得属于自己的学术尊严。”曹臻一脸严肃地说道。

憋着一股劲儿，从2009年提出设想，到2013年列入规划，到2014年开始小规模的预先研究，再到2015年12月“拉索”获得国家发展和改革委员委批复正式立项，一直到2017年主体工程动工，中国科学院高能物理研究所的科研人员坚守了近十年。

▲曹臻和高能所所长王贻芳院士（右）在“拉索”工程施工现场。（图源自四川科学技术出版社《拉索：打开人类高能宇宙新视界》）

●“我要把这件事干成”的朴素想法

那么，“拉索”为何落户在四川的海子山呢？曹臻直言，“拉索”建在哪里，可不是随意决定的。“‘拉索’对站址选取有很苛刻的要求。除了海拔之外，还要求地势平坦，场地落差不能超过50米，周围不能有山的遮挡；全年晴天数尽量多，年降水量尽可能低且降水分布要相对集中在较短的时间内；因为要在夜间测量大气切伦科夫光，站点还需远离城市背景光；水，是‘拉索’建造中的重要探测介质，水源的分布和洁净程度也至关重要；站点的纬度要尽量低，这样可以对银河系中心方向开展观测。除上述要求外，站址所在地区还需拥有相应的学科基础和成熟的人力资源市场，具有开放、自由的国际往来环境，所在地人民政府还需能够保障相应的科研配套条件。综合全部因素，即使对于我国这样一个地大物博的国家来说，满足这些条件也很难。而海子山恰好符合所有条件。”

“时间能抚平差距，同样也将困难摆在了眼前，要将‘拉索’的构想变为现实，当时我们还面临一系列挑战。中国几代宇宙线研究者都长期扎根在条件艰苦的高海拔地区观测，克服人类生存的困难挑战，就是为了让中国宇宙线研究不掉队，与国际先进的实验缩短差距。时光荏苒，信念不变，大家坚信目标终将实现。”“拉索”也是藏语“好”的意思，但为了成就今天这个“好”，“拉索人”经历了很多“难”。曹臻表示，“拉索”选址因为条件受限多，所以选址过程比较难，而选址确定后的建设过程更加艰难。

作为中国自主提出并设计、建造的新一代伽马射线望远镜和宇宙线探测装置，“拉索”占地面积约1.36平方公里。从空中俯瞰，它就像是一个“大圆盘”，在这个圆盘之中布置了由四种类型探测器组成的三大探测器阵列——5216个电磁粒子探测器和1188个缪子探测器构成的1平方公里地面簇射粒子探测器阵列、7.8万平方米的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，采用4种探测技术，可全方位、多变量地测量来自于高能天体的伽马射线和宇宙线。“要建如此庞大一个‘天阵’，在设施建设过程中，既要面对来自工程实施方面的挑战，也要有技术层面上的创新。‘拉索’项目团队聚集了一大批各专业、各行业的人员，大家爬上海子山，克服高原反应，克服无人区艰苦的条件，一起搭建起‘拉索’阵列的每一个设备。”

也正是在奋战高原期间，肩挑工程总指挥、首席科学家者两副重担的曹臻收获了“拧螺丝的物理学家”的绰号。原来，在“拉索”靠近“大圆盘”的中间位置，建有三个密闭的“大水池”，这里面藏着水切伦科夫探测器阵列。当宇宙线产生的次级粒子进入水池里的纯净水时，会发出微弱的切伦科夫光，将其转换为电信号后，科研人员才可以进行测量和研究。当时，就在水池快安装完毕之际，曹臻加入到了安装队伍，一起跟着干。他也在水池里拧螺丝，爬10米高的梯子接线缆……什么活儿都干。

“拉索”项目现场观景台下立有一块红色的牌子，上面写着一句话：“无论有多大的困难，都要去克服，再困难还要去克服，克服就是要去做这个做不了的事情。”这块牌子与距它不远的项目全名牌两相呼应，红蓝交辉，对曾经和正在这里工作的人来说，这不仅是在给自己打气，更是一种信念。“拉索”工人招募人数最多的时候达600人，他们和科研团队一起完成了一件不可能完成的伟大工程。“在他们的字典里就没有‘不可能’，都只有一个朴素的想法，那就是我要把这件事干成。”曹臻说。

2023年5月10日，“拉索”项目通过国家验收，成为国际上三大粒子天体物理标志性或者说支柱性的探测装置之一，使我国在这个领域里稳稳当当占据领先地位，同时我们还可以为开展大气、气象、空间环境等前沿科学交叉研究提供实验平台。

▲“拉索”项目现场立的一块牌子。

●“拉索”不只是运气好

与很多建成后才能运行的大科学装置不同，在“拉索”这样的分布式阵列上，“边建设、边运行”的模式显现出了优势。在工程建到1/4的时候，它已成为一个“五脏俱全”的设施，而且安装一批，就可以运行一批。因此，“拉索”在还没全部建成时，科研成果已经发表在了国际顶级期刊上。“拉索”取得的成果，是工程建设、工艺安装、设施研制、物理分析等各个环节辛勤付出和密切配合的结果。

基于超高的探测灵敏度，“拉索”在初步运行期间已取得多项突破性科学成果，包括发现了银河系中广泛存在拍电子伏加速器，并观测到最高能量光子；精确测定了标准烛光的超高能段亮度，挑战高能天体物理中电子加速的标准模型；探测到迄今最亮的伽马射线暴，打破了多项观测记录。

2023年6月9日，《科学》杂志在线发表“拉索”国际合作组的论文——《极亮伽马射线暴221009A窄喷流的万亿电子伏特余辉》。2022年10月9日，全球众多天文设施观测到了这个迄今最亮的伽马暴。然而，由于该伽马暴的亮度比以往最亮伽马暴还要高50倍，过高的光子流量使得国际上众多探测器发生了饱和。科学家推断，如此亮的伽马暴“扫”过地球的概率是千年甚至万年一次。这意味着，对于“千年一遇”的这次伽马暴的诸多细节，它们都没有“看”真切。而“拉索”是此次唯一对万亿级电子伏特的伽马射线实施观测的探测器。在对这次爆发现象的观测中有多项“人类首次”，具有最完整的爆发过程记录、最高能量的光子探测、极窄喷流等特征。如此精细完整的高能量光变曲线测量将被写进教科书，这些发现也将会改变教科书中关于伽马暴的论述。

在“拉索”大显身手之际，曹臻正好在欧洲出差。“当时，记得时间是半夜12点左右，在知道有一场大的伽马暴后，我便给同事们留言，让他们天亮了起来就去把‘拉索’记录的数据翻来看看。因为只要有伽马暴，‘拉索’肯定是随时记录的，不用担心漏掉。交待完后，我回去就睡觉休息了，也没把这件事情太当回事。说实话，当时并没有太多期待。毕竟伽马暴并不是只发生这么一次，而是经常发生。结果，我们在北京的一位同事因为睡眠问题，凌晨4点就醒了。他在看见我的留言后赶紧起来把计算机打开一看，根本不用做数据分析，伽马暴的数据就跳上去了，一眼就看见了。”得知消息后的曹臻太兴奋了，“对这次观测研究的成果，全球天文学家翘首以盼。‘拉索’实现了人类从未有过的壮举。这一发现，给全世界打开了探索宇宙未知领域的大门。国际著名天体物理学家费利克斯·阿哈罗尼安感叹‘看到这些结果，我此生足矣’。”

“‘拉索’运气很好！”曹臻从不回避谈论取得这些成果的偶然性，“这次伽马射线暴在宇宙里穿行了20多亿年，终于在2022年10月9日那天照到地球上。虽然很多探测器都看见它了，但对于‘拉索’来说是很重要的，因为‘拉索’可不是从任何方向都能去看的，它是放在地面上跟着地球转，如果正好转的时候还没转到，射线已经打到地上了，那就看不到了，或者地球转得太快，转过了，它也看不到了。”欧洲人专门为射线暴的观测建设了一台MAGIC装置，可被称为“史上最强伽马暴”发生时，欧洲正好转到了地球背面，没有朝向它，因此MAGIC抱憾未能捕捉到这一壮观的现象。

有一次，在西班牙参加学术会议时，一位国际同行向曹臻抱怨道：“这不公平，老天爷对你们太眷顾了。我们努力了20年，却什么也没有看到。”运气的背后必然是努力的结果。在与《科学》杂志的编辑分享时，曹臻及团队这样回复：“我们拥有最顶尖的探测器，因此我们能够做出最杰出的发现。”

▲10月11日，《拉索 打开人类高能宇宙新视界》新书发布会在2024天府书展主会场隆重举行。

●“共同书写人类文明的新篇章”

2023年9月1日，“拉索”登上了中央电视台2023年开学特别节目——开学第一课的讲台。全国的中小学生及老师家长，都了解了我国自主研究的这一重大科学项目。而作为置“拉索”的首席科学家，60岁的曹臻站上了央视演播厅，深情回顾中国科学家奋斗三十余年，发现人类有史以来最亮最完整的伽马射线暴的故事。

“‘拉索’帮助我们在国际粒子天体物理研究中占据了领先地位，不断产生着新发现——无论是每次重要成果的发布，还是在每次重要的国际研讨会上——都会引起广泛的关注，激发热烈的讨论。不夸张地说，‘拉索’的一举一动，都牵动着整个领域的注意力。”随着“拉索”观测结果在科学界的扩散，激发了相邻学科之间的碰撞和再发现的灵感，显著地促进了交叉学科的发展，“拉索”成为拓展知识边界的重要力量。“在此背景下，面对公众对科学技术进步的空前热情和渴望，我们深深地感受到了一份责任和义务，要尽快以科学普及的形式，把‘拉索’的科学发现及其意义、对现有理论的贡献与挑战、‘拉索’所采用的高精尖探测技术、建设过程中产生的技术进步，以及这一切所蕴含的科学精神呈现给大众。”于是，也就有了如今的《拉索：打开人类高能宇宙新视界》这本科普读物。

这本书介绍了宇宙线研究的历史，回溯了宇宙线与研究物质深层次结构的高能物理的渊源，讲述了科学家如何通过测量宇宙线来探索高能宇宙的奥秘，相关探测技术如何发展与演化，以及我国的宇宙线研究在从“零”起步，经历跟跑、并跑到引领的过程中整整四五代人不懈努力的故事与精神。“我们采用大量历史照片和科学解读图片，用尽可能通俗的语言解说深奥的粒子天体物理现象与观测研究。我们不仅介绍了宇宙线研究的前沿动态和最新成果，也讲述了建设宇宙线研究史上最大规模之一的探测装置的艰辛与乐趣，意在激发公众对未知世界的好奇心和探索欲。”曹臻对所有读者说出了自己的期许，“我们真诚地希望大家喜欢这本书，从中享受到科学的美妙、感受到探索科学奥秘的乐趣，更希望能激励广大学子投身科学探索的热潮之中，在携手构建宏伟的科学殿堂的同时，让我们不忘传承与弘扬中华民族悠久而优秀的文化精髓，让中华文化的光辉在人类的宇宙观里熠熠生辉，照亮人类前行的道路，共同书写人类文明的新篇章。”

▲曹臻院士在接受采访时介绍“拉索”情况。

【采访手记】

在长达一个多小时的采访中，曹臻院士始终娓娓道来，只有在谈及中国的宇宙线研究赢得国际话语权的时候，他才露出欣慰的笑容。关于“拉索”的建设和取得的成绩，他不断强调“这是团队所有同事努力的结果”。他认为，科学研究需要具备信念、兴趣、使命感，而这些内在动力驱使科研工作者遇到困难和挑战时坚持下去，不断追求更高的目标。在他看来，“持之以恒”是科学研究的关键，只有长时间地投入和坚持，才能抓住稍纵即逝的科研机遇，取得重要的科学发现。

对于科研工作者，早八晚十几乎成为标配，周末不休息也是常态，科学家就是把科学当作“家”一样来热爱。对于个中的辛苦，曹臻院士很少公开说。“这不是我应该做的事吗？”

采访结束分别时，我好奇地问曹臻院士：“您那少得可怜的业余时间一般是做什么呢？”曹臻院士闻言后微微一怔，然后开心地说：“我们的业余生活跟普通人没有两样，该干啥就干啥。像我，喜欢打打羽毛球，还喜欢旅旅游，到处看看。当然，我不喜欢打麻将！”爽朗的笑声回荡在整个房间。（采访单位：四川科学技术出版社 读者报社 采访策划：程佳月 林佳馥 何建）（读者报全媒体记者 何建）

编辑：王欣  责任编辑：董小玥  审核：周华