【中國科學報】上天入地 做最前沿的物理

「慧眼」試驗隊與整裝待發的「慧眼」衛星

2018年3月，《中國科學》封面文章報導「慧眼」對雙中子星併合產生引力波的觀測結果

西藏羊八井國際宇宙線觀測站

高海拔宇宙線觀測站項目模擬圖

阿里原初引力波觀測站

江門中微子實驗項目模擬圖

　　太空中，550公裡外的近地軌道，「慧眼」衛星（HXMT）巡視宇宙，追逐黑洞的蹤影。

　　高山上，4300米高的雪域之巔，高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）透過稀薄的大氣層，捕捉宇宙線的痕跡。

　　地底下，700米深的幽暗洞室，江門中微子實驗（JUNO）從極其微弱的閃爍光中，解讀中微子的奧秘。

　　這些上天入地的大科學裝置，來自同一個地方——中國科學院粒子天體物理重點實驗室（以下簡稱粒子天體物理重點實驗室）。

　　粒子天體物理重點實驗室是做什麼的？它憑什麼能成為那麼多大科學裝置的「基地」？帶著疑問，《中國科學報》記者走進實驗室一探究竟。

　　從深地到深空

　　北京，玉泉路。春夏之交，中國科學院高能物理研究所（以下簡稱高能所）大院裡的銀杏樹綠意正濃，葉間不時傳來清脆的鳥鳴。這裡是中國第一臺大科學裝置——北京正負電子對撞機的所在地，也是中國第一顆X射線天文衛星——「慧眼」的誕生地。

　　行走在這個始建於1973年的老牌研究所裡，隨處可見被歲月斑駁了牆體的低矮小樓。老樓中間，一棟高聳的新樓會忽地將人們早已飄進歷史的思緒拉回現實，這棟新樓便是粒子天體物理重點實驗室的所在地——多學科大樓。

　　走上多學科大樓二層，人們的目光很容易被天井裡一張近3層樓高的大海報鎖住。

　　海報上部，是一幅以星空為背景印著10顆衛星和探測器的示意圖：「慧眼」硬X射線調製望遠鏡、增強型X射線時變與偏振探測空間天文臺（eXTP）、「天極」伽馬暴偏振探測儀（POLAR）、引力波暴高能電磁對應體全天監測器（GECAM）、愛因斯坦探針（EP）、中國空間站高能宇宙輻射探測設施（HERD）……

　　海報中部，一座雪山綿延開來，沿著雪山，阿里原初引力波觀測站、LHAASO、西藏羊八井國際宇宙線觀測站從左向右依次鋪開。

　　海報底部，以棕褐色的土壤為背景，大亞灣反應堆中微子實驗、JUNO十分醒目。

　　這些看似繚亂的大科學裝置，都是粒子天體物理重點實驗室負責或作為主要成員參與建設的科研平臺，它們遵循著相同的內在邏輯——用非加速器的手段，研究粒子物理的規律。

　　通常，粒子物理學家會利用加速器讓一些帶電粒子加速後劇烈碰撞，由此研究物質微觀結構組成以及基本粒子之間的相互作用，北京正負電子對撞機的原理正是如此。然而，粒子天體物理重點實驗室裡的物理學家們卻不這麼做。

　　「粒子物理研究的是深層次的物質結構，天體物理研究的是大尺度的物理規律，粒子天體物理學則是這兩個學科的交叉。對於我們來說，宇宙就是最大的『對撞機』，我們利用大尺度的宇宙來研究深層次的物理規律。」粒子天體物理重點實驗室主任張雙南說。

　　尋找黑洞等緻密天體、捕捉宇宙線、探測中微子……粒子天體物理重點實驗室裡的科學家們憑藉著靈敏的探測技術，直接研究自然界中的粒子，而這種研究手段，正是目前高能物理領域最前沿的方向之一。

　　從堅守到綻放

　　「目前，我們是國內唯一具備全方位（地下、高山和空間）、多波段（微波、光學、X射線和伽馬射線）、多信使（電磁波、中微子、宇宙線）觀測研究能力的實驗室。」每次對外介紹粒子天體物理重點實驗室時，張雙南的語氣中總帶著一份自豪。

　　這份自豪來之不易。

　　1951年，粒子天體物理重點實驗室的前身——宇宙線研究組，在高能所的前身——近代物理研究所成立，之後演變為高能所宇宙線室。1997年4月，經中國科學院批准，高能所成立「宇宙線和高能天體物理開放實驗室」；2003年7月，更名為「粒子天體物理重點實驗室」。

　　「堅持研製實驗裝置，並基於這些裝置開展研究，是我們的傳統。」張雙南回憶。

　　1954年，在海拔3200米的雲南落雪山，他們建立了中國第一個高山宇宙線實驗室，由此開啟了我國的宇宙線研究。

　　1965年，他們建成了一套總重近300噸的大型雲室系統，成為當時世界上同類裝置中規模最大、水平最先進的儀器之一。

　　改革開放後，他們又在甘巴拉山、懷柔、興隆等地開展多種類型的宇宙線實驗，建造了我國首個高空科學氣球系統，利用球載X射線望遠鏡開展空間高能天文觀測。

　　在積極建設自己的實驗和觀測設備的同時，實驗室還利用多顆國外高能天文衛星的觀測數據開展研究，並在數據處理方法方面取得一批創新成果。

　　「當時國內的經濟和技術基礎比較薄弱，過程非常艱難，取得的物理成果相對有限。」張雙南說，「不過，在這個過程中，實驗室的學術和技術基礎得以加強，人才隊伍也逐漸成長。」

　　新世紀前後，粒子天體物理漸成國際研究熱點，國家對基礎研究的投入也逐年增多。蓄勢待發的實驗室，有了更大的發展空間。

　　2000年，李惕碚、吳枚等高能天體物理學家提出並醞釀了近十年的HXMT項目，獲得科技部「973」計劃的支持。2005年，這一項目被當時的國防科工委選中為背景型號，並在2011年正式工程立項。

　　2003年，剛回國兩年的高能所現任所長王貽芳提出設想，利用我國大亞灣核反應堆群產生的大量中微子，來尋找中微子的第三種振蕩。2006年，大亞灣反應堆中微子實驗站項目獲準立項，成為當時我國基礎科學領域最大的國際合作項目。

　　2006年，在羊八井中日合作ASγ實驗建成運行多年之後，中意合作ARGO實驗也在羊八井建成並投入觀測運行。羊八井實驗期間，粒子天體物理重點實驗室副主任曹臻開始謀劃建設新一代國際領先的宇宙線觀測基地，並於2008年牽頭提出了LHAASO項目。

　　這些大科學裝置的立項、研製、運行，為粒子天體物理重點實驗室的加速前進創造了可能。

　　從「一」到「多」

　　對於粒子天體物理重點實驗室來說，「慧眼」是旗艦般的存在。

　　1993年春，20多歲的盧方軍成為高能所博士生，師從李惕碚院士。半年後，李惕碚在宇宙線室高空氣球載硬X射線天文觀測的基礎上，提出了HXMT概念，盧方軍則參與做一些數據分析工作。

　　這時的盧方軍還不知道，自己最為黃金的科研年華將和「慧眼」緊緊綁在一起。2002年，在美國做了一年多博士後研究的盧方軍回到高能所，正式加入HXMT項目。從起草項目建議書到組織任務實施，他一步步成長為HXMT系統有效載荷的總設計師。

　　2017年，HXMT發射成功。盧方軍用兩個字來形容這顆星的研製過程——艱難。「因為我們堅持認為，實驗室的第一顆衛星一定要自己做，要通過這顆星發展自己的技術，培養自己的人才。」盧方軍說。

　　此後粒子天體物理重點實驗室幾個大科學裝置項目的發展，證明了「慧眼」團隊的堅持是值得的。

　　在「慧眼」項目中，一大批科研和技術人才成長起來，成為實驗室後續項目的寶貴資源。

　　實驗室裡的不少項目都與「慧眼」有著剪不斷的「血緣」關係：HXMT的「下一代」——eXTP項目，從首席科學家到項目經理，再到有效載荷總設計師、副總設計師，幾乎整個技術團隊都來自「慧眼」；GECAM衛星項目的首席科學家熊少林，就是在「慧眼」項目中成長起來的青年技術骨幹；EP衛星後隨X射線望遠鏡的整個團隊來自HXMT低能X射線分系統；HERD項目的技術負責人大都是「慧眼」項目培養出來的；阿里原初引力波項目的科學目標儘管與「慧眼」不同，但其主要技術隊伍也都是在「慧眼」研製過程中成長起來的……

　　除此之外，地下中微子項目和高山宇宙線實驗也是在傳承中發展壯大的。

　　2013年，得益於大亞灣反應堆中微子實驗積累的人才隊伍、技術資源和學科方向，JUNO成功立項。JUNO項目副經理楊長根介紹，該專項的基建工程即將完工並交付使用，探測器研製方面的技術瓶頸已全部攻克並進入工程化生產階段。

　　2015年，得益於五代科學家在宇宙線領域的奮鬥和積累，LHAASO正式立項。「從最早的張文裕先生一代，到我的導師一代，到我這一代，再到我的學生一代，都在不斷地傳承和積累，如今，我的學生也有了自己的學生。」LHAASO首席科學家曹臻說，「正是這樣的傳承，讓粒子天體物理重點實驗室的宇宙線研究方向走進了國際該領域的第一梯隊。」目前，LHAASO項目已經部分投入科學運行，一批重大科學成果已現端倪。到2021年，建成的LHAASO全陣列將成為世界四大宇宙線研究基地之一。

　　這些大科學裝置項目，讓實驗室成為粒子天體物理學家的「黃埔軍校」。目前，實驗室職工平均年齡僅38歲，碩博士生佔到95%，其中博士生佔73%，碩士生佔22%。

　　「這種延續就是粒子天體物理重點實驗室存在的意義。一個工程不是做完了就完事了，而是要為後續發展積累動力。」高能所副所長董宇輝說。

　　從現在到未來

　　在粒子天體物理重點實驗室，科研平臺建設的最主要目的是為科學研究服務。

　　這些年來，憑藉著日漸強大的科研平臺，粒子天體物理重點實驗室在緻密天體觀測研究、高能粒子探測及物理研究、宇宙演化研究、中微子振蕩參數和反應堆中微子能譜測量、高海拔宇宙線和高能伽馬射線研究方面都取得了重要突破。從2014年到2018年，粒子天體物理重點實驗室共發表論文1237篇，其中SCI論文876篇。

　　在做科學研究的同時，大科學裝置的建設過程也為粒子天體物理重點實驗室積累了不少關鍵核心技術。僅就LHAASO項目而言，實驗人員就成功研製出精度0.1~0.2納秒的、可在野外條件下使用的時間同步系統，確保上千個探測器實現同步；研製出第一臺大視場矽光電管相機，實現了傳統光電倍增管向矽光電管的升級換代。

　　「基礎研究對技術的帶動力相當大，這些技術不僅可以回饋國家社會，也會推動未來的基礎研究工作。」張雙南說。

　　如今，依託高能所，粒子天體物理重點實驗室的固定成員有近170人，年均科研經費1億多人民幣，體量幾乎相當於一個中小型研究所。「我們不再像過去那樣為溫飽掙扎前進，而是主動思考下一步如何走得更好。」張雙南說。

　　在2013年高能所的一次戰略研討會議上，王貽芳建議，粒子天體物理重點實驗室要能講清楚現在在幹什麼、下一步要幹什麼、未來還將幹什麼。

　　這個建議與張雙南的想法不謀而合。很快，粒子天體物理重點實驗室提出了「四代同室」的發展策略——成果一代、研製一代、預研一代、概念一代。

　　目前，在「成果一代」中，空間項目中的HXMT、POLAR、國際空間站阿爾法磁譜儀（AMS），高山項目中已經部分運行的LHAASO，地下項目中的大亞灣反應堆中微子實驗，正在源源不斷地產出科研成果。

　　在「研製一代」中，空間項目中的GECAM衛星、中法天文衛星、EP衛星等，高山項目中的阿里原初引力波探測計劃、尚在建設中的LHAASO項目，地下項目中的JUNO等，正在緊鑼密鼓地研發建設。

　　在「預研一代」和「概念一代」中，空間項目中的HERD、eXTP正在立項論證，下一代空間磁譜儀、「獵人星座」計劃、空間光學幹涉宇宙學測距的想法正在醞釀之中；高山項目正在朝著先進宇宙線和伽馬觀測、原初引力波和超大質量雙黑洞搜尋方向努力；地下項目則朝著暗物質直接探測、未來極低成本和大體積實驗的方向前進。

　　「未來，我們的目標是成為特色鮮明、國際先進和領先的粒子天體物理實驗室，取得重大和突破性科學成果，引領國際粒子天體物理領域的發展！」張雙南說。

　　他們把義大利同行說服了

　　在一個開放的實驗室中，國際合作是必不可少的內容。

　　早在上世紀下半葉，粒子天體物理重點實驗室的前身——宇宙線室就已經在開展國際合作。但是，當時的合作形式大多是中國科學家出國學習。

　　「要技術沒技術，要經費沒經費，要人才沒人才，怎麼跟國外平等合作？」「慧眼」衛星系統有效載荷總設計師、中國科學院高能物理研究所副所長盧方軍直言。

　　隨著「慧眼」衛星項目的推進，空間高能天體物理研究中的這一局面得以扭轉。

　　盧方軍舉了一個「慧眼」衛星望遠鏡標定的例子。「慧眼」衛星的高能X射線望遠鏡共有18套主探測器產品，加上備份件，數量達到了25個。對於衛星的探測器來說，地面標定是一項重要工作。沒有經過標定的探測器，就像是沒有刻度線的尺子，當接收到X射線時，無法準確確定入射X射線光子的能量及數量。

　　2011年，「慧眼」衛星系統有效載荷研製團隊決定，與中國計量院電離所合作，研究解決X射線天文衛星探測器標定技術難題。經過近3年的努力，雙方從無到有，聯合建立了國內首套硬X射線探測器地面標定裝置HXCF。

　　但由於這是中國第一次做標定工作，團隊心裡沒有底。於是，他們拿了其中兩個探頭去義大利費拉拉大學做標定，以便對國內標定的結果進行驗證。

　　「當我們團隊的人員帶著設備去了那邊並和他們討論了標定方案之後，那邊的教授當天就給我發了一封郵件，說我們的標定方案不正確。」盧方軍回憶，「後來經過仔細討論，我們說服了義大利同行。」

　　不僅如此，對比後，大家發現，我國自主研製的標定裝置無論在能量範圍還是在光源穩定性等指標上都優於意方。

　　這一結果，讓意方建立起對「慧眼」團隊的信任。之後，費拉拉大學主動要求加入「慧眼」衛星科學數據分析團隊。

　　「合作過程中，別人覺得你們做事靠譜，才會有信心和意願跟你們合作。」盧方軍說。

　　如今，在粒子天體物理重點實驗室，深入的國際合作已經越來越廣泛。例如，「慧眼」衛星的繼任者——eXTP就是中國發起並領導的旗艦級國際合作X射線天文臺，以歐洲為主的約20個國家參加並且提供約1/3的等價實物貢獻。HERD也是由中國發起並領導的項目，以歐洲為主的10個國家參加並提供約1/3的等價實物貢獻。

　　不僅如此，粒子天體物理重點實驗室還主動組織召開各類國際學術會議，如第五屆國際高海拔宇宙線研討會、第三屆亞太合作天體物理國際研討會等。在國內外的粒子天體物理學術舞臺上，粒子天體物理重點實驗室的科學家也常常是主角。從2013年到2018年，實驗室中參加國內外各類會議並作報告的有500餘人次。

　　「我們腰板硬了，不發怵了，國際合作也有底氣了。」盧方軍說。（倪思潔）

　　中國科學院粒子天體物理重點實驗室簡介

　　中國科學院粒子天體物理重點實驗室，依託單位為中國科學院高能物理研究所，其前身為1951年在中國科學院近代物理研究所成立的宇宙線研究組，後演變為原子能研究所和高能物理研究所宇宙線室。

　　著名物理學家王淦昌、張文裕、肖健等曾任宇宙線室主任，著名物理學家錢三強、何澤慧始終關心並置身於該室的科學研究。

　　1997年4月，經中國科學院批准，成立「宇宙線和高能天體物理開放實驗室」；2003年7月，更名為「粒子天體物理重點實驗室」；2019年參加中國科學院組織的數理領域院重點實驗室評估，評估成績為A。

　　粒子天體物理重點實驗室圍繞國際前沿和國家戰略重點，以揭示深層次的物質結構、大尺度物理規律為目標，以宇宙線研究、高能天體物理研究、中微子和暗物質探測、粒子宇宙學研究等為主要研究方向，根據學科需要布局實驗項目，發展核心技術，致力於將實驗室建設成為粒子天體物理領域高水平的基礎理論研究、粒子天體實驗、新探測技術研發及高層次人才培養的基地。

　　實驗室的工作定位是「瞄準重大問題開展基礎研究、針對學科前沿提出重大項目、建設實驗平臺提升儀器性能、發展核心技術支撐長遠發展」。

　　（原載於《中國科學報》 2020-07-21 第4版 聚焦)