高海拔宇宙線觀測站LHAASO的設計方案效果圖。
LHAASO科研團隊部分成員和施工現場部分工人在LHAASO站址大石上合影。經濟日報記者 佘惠敏攝
它是我國海拔最高的大科學基礎設施，投資超過10億元，將在方圓1.36平方公裡的雪域荒原上安裝近萬個世界最先進最靈敏的探測器，一探世紀難題——高能宇宙線起源。
它的名字叫「拉索」（LHAASO），全稱為高海拔宇宙線觀測站，於2015年12月獲批立項，最近通過了初步設計報告評審，即將全面開工建設。
想知道「拉索」有多麼「高富帥」嗎？6月初，《經濟日報》記者奔赴「拉索」站址四川稻城海子山採訪，為您帶回第一手的見聞。
宇宙溯源 信使有痕
宇宙線是一種來自宇宙的高能粒子流，攜帶著宇宙起源、天體演化等宏觀信息，是傳遞「宇宙大事件」的信使。高能宇宙線的起源是一個一直未獲解決的世紀難題，「宇宙加速器」在哪裡？是什麼加速原理？「拉索」的科學目標就瞄準了這裡。
在平均海拔4410米的四川稻城海子山「拉索」觀測基地上，記者看到，這裡基本還是一片荒原。2000多畝的觀測基地範圍內，主要是高山草地。許多大塊的石頭錯落散布其間，中心區有清澈的小河緩緩流過，看似與周邊的雪域荒原連為一體，並沒有什麼不同。讓這片區域顯得不一樣的是，幾條正在修建的道路和水渠邊，有四川路橋集團的工人們基礎作業的忙碌身影。記者採訪得知，基建工作從去年7月就已經開始，目前，電建、土建等基建工作進展順利，為即將動工的「拉索」主體項目建設奠定了基礎。
為什麼要在如此高海拔的荒原無人區，建設一個這麼大的探測基地？
「拉索」項目首席科學家、中國科學院高能物理所研究員曹臻給記者講了一個「宇宙無限、信使有痕」的科普故事。
「探索宇宙的起源與演化是人類智慧的永恆驅動力，我們希望通過宇宙線這個信使來了解宇宙。」曹臻說，自1912年人類發現宇宙線以來，研究宇宙線的努力從未中斷過。
宇宙線是一種來自宇宙的高能粒子流，攜帶著宇宙起源、天體演化、空間環境和太陽活動等宏觀信息，是傳遞「宇宙大事件」的信使。這些高能粒子主要是原子核，還包括少量電子和光子。
宇宙線粒子的動能跨越14個數量級，不同的能量反映了不同的起源。太陽宇宙線的能量最低，大約以10"10（10的10次方）eV（電子伏特）作為起點；從10"11 eV到10"18eV的宇宙線主要起源於銀河系內；而能量高於10"18eV的宇宙線，主要來自於銀河系外的廣垠宇宙。
「宇宙線的能量可以很高。」曹臻介紹，宇宙中存在能量極高的宇宙線高能粒子，可以達到10"20eV以上，而北京正負電子對撞機這樣的人工粒子加速器僅能加速出10"9eV的高能粒子，前者的能量比後者高1000億倍左右。
高能宇宙線的起源是一個一直未獲解決的世紀難題，「宇宙加速器」在哪裡？是什麼加速原理？「拉索」的科學目標就瞄準了這裡。
為什麼「拉索」要建這麼大？因為宇宙線能量越高越稀少，建得足夠大，才能捕捉到足夠多可供研究的高能宇宙線樣本。
「『拉索』的主要工作能區是10"12 eV到10"18eV，一個典型的事例發生率是每平方米每年1個事例，它有100萬平方米，一年可測量100萬個事例。而能量高於10"18eV的銀河系外高能粒子，大約每年每平方公裡1個，『拉索』每年只能捕捉到一個左右。」曹臻說。
進入地球大氣層的高能宇宙線原初粒子會與空氣中的原子核相碰撞，連續發生強相互作用和電磁相互作用，產生大量次級粒子，衍生出地球上最為壯觀的多粒子事件——廣延大氣簇射（EAS）。科學家們將之形象地稱為粒子「陣雨」。
在方圓1.36平方公裡、布下近萬探測器的「拉索」，將探測到這樣的「陣雨」，科學家們將通過「陣雨」的詳細數據追溯出高能宇宙線粒子的特徵，再追溯高能宇宙線粒子的「源」，也就是「宇宙加速器」，從而研究高能宇宙線的產生機制。
現在，宇宙中有180多個天體是科學家們發現的候選源，科學家們要從中找到各種證據，證明其中誰才是真正的「宇宙加速器」。「超新星爆發、黑洞爆發、巨大星系之間的碰撞等，都可能是我們要找的『源』，我們希望找到多個『宇宙加速器』，這樣才能更好地研究高能宇宙線的起源。」曹臻說。
百年求索 三代神器
高山實驗是宇宙線觀測研究中必不可少的研究手段。中國的高山宇宙線實驗室經歷了3個發展階段：上世紀50年代建立的雲南落雪山宇宙線實驗站；1987年建設的西藏羊八井國際宇宙線觀測站；目前即將開建的「拉索」是第三代。
作為太陽系以外唯一的物質樣本，宇宙線及其起源是人類探索宇宙及其演化的重要途徑。在宇宙線被發現之後的一百年間，與之相關的探索與研究已經產生了數枚諾貝爾獎牌，但人類始終沒有發現宇宙線的起源。這使得宇宙線起源問題成為自然科學在21世紀所面臨的若干基本問題之一，在歐、美科學決策機構提出的6個或11個本世紀基礎科學難題中，均位列前五。
「拉索」正是瞄準這一重大科學難題而提出的，但並非好大喜功的一蹴而就，而是經過了幾代中國高能物理學家們數十年的積累。
高山實驗是宇宙線觀測研究中能夠儘可能減小大氣層的吸收效應的地面探測手段，其規模可以遠大於大氣層外的天基探測器，成為甚高能和超高能伽馬天文及宇宙線觀測中必不可少的研究手段。
中國科學院高能所副所長羅小安向記者介紹，中國的高山宇宙線實驗室經歷了3個發展階段。
上世紀50年代建立的雲南落雪山宇宙線實驗站，是中國第一個高山宇宙線實驗室，先後安裝了多板雲室、磁雲霧室和大雲室組，為我國粒子物理研究奠定基礎。
1987年，高能所開始在西藏羊八井建設國際宇宙線觀測站，此中建設的中日合作廣延大氣簇射陣列（ASγ）和中意合作全覆蓋探測陣列（ARGO-YBJ），是國際四大超高能γ天文和超高能宇宙線研究陣列之一。
第三代高山宇宙線實驗室，就是目前在建的「拉索」。
「在羊八井開始階段的中日合作項目中，我們主要是向日本人學習，採用對方的方案和設備；在90年代末的中意合作項目中，我們已經跟義大利人平起平坐，共同研發探測裝置，共同開展重要的科學研究；現在的『拉索』項目，則完全是中國科學家設計引領，並吸引了法國、義大利、俄羅斯、瑞士等多國科學家參與的國際前沿大科學工程。」羅小安介紹，通過與宇宙線領域研究強國日本、義大利近30年的長期合作，我國已經積累了很多成功經驗，在此基礎上提出的「拉索」項目，建成後將佔據三個世界第一：世界最高的高能伽馬射線探測靈敏度，其功能是判斷一個源是否為宇宙加速器；世界最靈敏的甚高能伽馬射線巡天探測，可以對全天區掃描，發現更多源；世界最寬廣的宇宙線能量測量範圍，具有寬廣能量覆蓋度的宇宙線能譜和成分精確測量裝置，可對解開宇宙線起源之謎形成強有力的衝擊。
眾志成城 面向前沿
由5195個電磁粒子探測器和1171個繆子探測器組成的地面簇射粒子陣列；78000平方米的水切倫科夫探測器；12臺廣角切倫科夫望遠鏡……為將「拉索」的設計藍圖變為現實，建設者們攻堅克難，在工程實施和技術創新上不斷突破。
「拉索」的探測基地將由哪些主要裝置構成？
我國科學家在藍圖中將「拉索」探測器陣列設計為三個部分：由5195個電磁粒子探測器和1171個繆子探測器組成的地面簇射粒子陣列；78000平方米水切倫科夫探測器，分為3000個探測單元；12臺廣角切倫科夫望遠鏡。
在這些探測器施工過程中，哪些地方難度最大？
「拉索」工程辦主任、中科院高能物理所副研究員白雲翔告訴記者，在設施建設過程中，既有工程實施的挑戰也有技術上的創新。「我們要建造面積相當於2.5個水立方的『中央大水池』——包含3000個探測單元的7.8萬平方米的水切倫科夫探測器。這個水池要完全密閉，既要做好內防水，也要做好外防水，確保優質的潔淨水不洩露，還不能被外界滲漏進來的水所汙染。此外，避光也是很大的挑戰，水切倫科夫探測器要對單光子級別的光信號進行研究，必須屏蔽所有自然光，才能捕捉進入其中的每一個高能伽馬光子蹤跡。」
在技術上也有多個創新。比如觀測基地方圓1.36平方公裡的陣列裡，布置了上萬路探測器，要做到每路探測器的時間保持同步就是一大難點。「宇宙線高能粒子以光速來臨，與空氣碰撞後形成粒子陣雨灑落到探測器上，陣雨落下的整個過程僅持續納秒量級，假如有1000個探測器被擊中，每個探測器都有1個時間記錄，記錄精準度要達到0.1納秒內。」白雲翔說，單個探測器探測精度定在0.1納秒內不難，但這麼大範圍內，這麼多路探測器定時精度保持在這個水平上，這是「拉索」的突破。
然而，這些難關都是必須攻破的，攻破難關，「拉索」才有競爭力。
宇宙線研究在國際上是熱門，其三個主要分支分別是歐美和中、日的伽馬天文學實驗，美國為首的南極中微子實驗，以及多國合作的巨型極高能宇宙線實驗。「拉索」屬於伽馬天文學實驗，是三個分支中最成熟的領域，國際競爭十分激烈。
目前，在這一領域，美國在結束第二代的MILAGRO實驗之後，從海拔2700米移師4100米的高山站址，藉此將靈敏度提高十幾倍，開始了HAWC實驗，已於2015年初完成建設任務。歐洲提出了更加宏偉的切倫科夫望遠鏡陣列（CTA）計劃，已經列入歐洲天體物理發展路線圖，將耗資2億歐元對現有實驗升級換代。
從設計指標看，在高於10TeV（10"12eV，萬億電子伏特）的能量區域，「拉索」的超高能伽馬射線探測靈敏度是世界之最，比歐洲CTA計劃的靈敏度還要高十幾倍；在幾百GeV（10"9eV，十億電子伏特）的能區，「拉索」的甚高能伽馬射線巡天普查靈敏度也是世界第一，高於美國HAWC實驗3到4倍。
「拉索」項目建設周期為4年，投入運行後科學壽命在20年以上。
挑戰宇宙線起源的世紀之謎，中國「拉索」即將報到！（經濟日報·中國經濟網記者 佘惠敏）