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東西問丨曹臻:中國(guó)“拉索”何以引領(lǐng)宇宙線研究國(guó)際前沿?

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東西問丨曹臻:中國(guó)“拉索”何以引領(lǐng)宇宙線研究國(guó)際前沿?

2023年05月16日 19:58 來源:中國(guó)新聞網(wǎng)
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視頻:【東西問】曹臻:中國(guó)“拉索”何以引領(lǐng)宇宙線研究國(guó)際前沿?來源:中國(guó)新聞網(wǎng)

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

  ——專訪“拉索”首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)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(jì)之謎”、已經(jīng)拉開“超高能伽馬天文學(xué)”時(shí)代大幕的中國(guó)國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——位于四川稻城海拔4410米的高海拔宇宙線觀測(cè)站(英文縮寫LHAASO,中文昵稱“拉索”),5月10日順利通過國(guó)家驗(yàn)收,正式邁入全面開放運(yùn)行階段。

  中國(guó)為什么要建設(shè)“拉索”、它有哪些特色與優(yōu)勢(shì)、將如何引領(lǐng)宇宙線研究國(guó)際前沿并開展國(guó)際合作、未來進(jìn)一步發(fā)展有什么規(guī)劃……“拉索”項(xiàng)目工程經(jīng)理、首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)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(duì)備受矚目的大科學(xué)裝置“拉索”進(jìn)行科普解讀。

  現(xiàn)將訪談實(shí)錄摘要如下:

  中新社記者:中國(guó)為什么要建“拉索”?與國(guó)外同類裝置相比,中國(guó)“拉索”有何特色與優(yōu)勢(shì)?

  曹臻:宇宙線攜帶著宇宙起源、天體演化、太陽(yáng)活動(dòng)及地球空間環(huán)境等重要科學(xué)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(fā)現(xiàn)研究至今,仍然是一門“年輕”的學(xué)科,尚未形成一個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)模型”完整地描述其起源、加速及星際空間傳播的機(jī)制,宇宙線起源這一“世紀(jì)之謎”也被國(guó)際物理學(xué)界列為“新世紀(jì)11個(gè)科學(xué)問題”之一。

  對(duì)于由實(shí)驗(yàn)主導(dǎo)的宇宙線研究領(lǐng)域來說,需要新一代的探測(cè)器以前所未有的靈敏度來開創(chuàng)一個(gè)新的時(shí)代。在21世紀(jì)第一個(gè)10年,各國(guó)紛紛提出下一代伽馬天文觀測(cè)大科學(xué)裝置計(jì)劃:歐洲國(guó)家提出建造100多臺(tái)切倫科夫望遠(yuǎn)鏡組成的陣列(CTA)計(jì)劃;美國(guó)選擇了一條通過升級(jí)改造實(shí)現(xiàn)適度提升靈敏度的高海拔水切倫科夫探測(cè)器(HAWC)計(jì)劃;中國(guó)則提出建設(shè)“拉索”的計(jì)劃,正式參與這場(chǎng)全世界范圍內(nèi)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)比拼。

  作為中國(guó)自主提出并設(shè)計(jì)、建造的新一代伽馬射線望遠(yuǎn)鏡和宇宙線探測(cè)裝置,“拉索”以探索高能宇宙線起源并開展相關(guān)高能輻射、天體演化以及暗物質(zhì)分布等基礎(chǔ)科學(xué)研究為核心目標(biāo),它占地面積約1.36平方公里,由5216個(gè)電磁粒子探測(cè)器和1188個(gè)繆子探測(cè)器構(gòu)成的1平方公里地面簇射粒子探測(cè)器陣列、7.8萬平方米的水切倫科夫探測(cè)器陣列、18臺(tái)廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡等三大陣列組成,采用4種探測(cè)技術(shù),可全方位、多變量地測(cè)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(yōu)勢(shì),目前可以概括為在三個(gè)方向上達(dá)到世界領(lǐng)先,也就是創(chuàng)造出三項(xiàng)“世界之最”:世界上最靈敏的超高能伽馬射線探測(cè)裝置,意味著能看到最多的可能性和開展最精細(xì)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(yuǎn)鏡,可對(duì)宇宙進(jìn)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(fù)合式立體測(cè)量系統(tǒng),可對(duì)到達(dá)地球的宇宙線及粒子,做精細(xì)的區(qū)分并進(jìn)行最寬廣能譜的測(cè)量,從而對(duì)宇宙線相關(guān)問題進(jìn)行非常充分的研究。

海拔4410米的大科學(xué)裝置“拉索”。孫自法 攝

  中國(guó)“拉索”建成運(yùn)行,正以前所未有的伽馬射線探測(cè)靈敏度,將伽馬天文的研究帶入人類從未觀測(cè)過的新波段,繼“甚高能伽馬射線天文學(xué)”活躍30年之后,開啟并引領(lǐng)人類進(jìn)入“超高能伽馬射線天文學(xué)”時(shí)代。

  中新社記者:“拉索”從預(yù)研到立項(xiàng)建設(shè)再到建成運(yùn)行,堪稱“十多年磨一劍”,建設(shè)過程中突破了哪些關(guān)鍵技術(shù)?已取得哪些重大發(fā)現(xiàn)和研究成果?

  曹臻:“拉索”項(xiàng)目建設(shè)完成多項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān),主要包括四個(gè)方面:一是首次在大視場(chǎng)成像切倫科夫望遠(yuǎn)鏡中大規(guī)模使用新型硅光電管,改變了這類望遠(yuǎn)鏡不能在月夜工作的傳統(tǒng)觀測(cè)模式,實(shí)現(xiàn)有效觀測(cè)時(shí)間的成倍增長(zhǎng);二是發(fā)展適應(yīng)4000米以上高海拔野外工況的大面積、多節(jié)點(diǎn)、高精度時(shí)鐘同步技術(shù),遠(yuǎn)距離同步精度提升到0.2納秒,達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平;三是采用中國(guó)國(guó)產(chǎn)20英寸超大型光電倍增管,并將時(shí)間響應(yīng)提高了3倍;把觀測(cè)閾能從3000億電子伏降低到700億電子伏,大大擴(kuò)展了觀測(cè)能力;四是在海量數(shù)據(jù)獲取技術(shù)上取得顯著進(jìn)步,發(fā)展并實(shí)現(xiàn)“無觸發(fā)”數(shù)據(jù)獲取;采用特殊的數(shù)據(jù)篩選技術(shù),對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行無損壓縮,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。

  由于“拉索”前所未有的超高能伽馬射線探測(cè)靈敏度和寬闊的視場(chǎng),引起伽馬天文研究的革命性變化,僅在初步運(yùn)行期間就已取得多項(xiàng)突破性的重大科學(xué)成果:“拉索”在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)12個(gè)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(cè)到的最高能量光子,達(dá)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(xué)”時(shí)代;“拉索”還精確測(cè)定“標(biāo)準(zhǔn)燭光”蟹狀星云的超高能段亮度,發(fā)現(xiàn)1拍電子伏伽馬輻射,挑戰(zhàn)理論極限。

  同時(shí),“拉索”建設(shè)期間即開展觀測(cè),并實(shí)現(xiàn)科學(xué)成果持續(xù)產(chǎn)出,截至目前,基于“拉索”項(xiàng)目發(fā)表的期刊論文累計(jì)215篇、會(huì)議論文156篇?!袄鳌绷碛卸囗?xiàng)重要研究成果論文已被學(xué)術(shù)期刊接收,將于發(fā)表后對(duì)外公布。

夜空下的大科學(xué)裝置“拉索”。孫自法 攝

  中新社記者:“拉索”項(xiàng)目設(shè)立的國(guó)際合作組如何發(fā)揮作用?迄今已取得哪些重要國(guó)際合作成果?這一大科學(xué)裝置怎樣既推動(dòng)中國(guó)實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)、又開放服務(wù)世界造福全人類?

  曹臻:“拉索”是一個(gè)比較典型的國(guó)際合作項(xiàng)目,在宇宙線、粒子天體物理等領(lǐng)域被國(guó)際同行譽(yù)為科研“金礦”,實(shí)際上其觀測(cè)數(shù)據(jù)面向全人類,并通過全人類的共同研究來實(shí)現(xiàn)破解宇宙線起源之謎的最終目標(biāo)。因此我們一開始就設(shè)計(jì)了國(guó)際合作組這樣一種傳統(tǒng)的合作組織方式,希望把國(guó)際上關(guān)注并能進(jìn)行“拉索”項(xiàng)目相關(guān)研究的科學(xué)家和科研團(tuán)隊(duì),都吸引進(jìn)來合作開展科學(xué)研究。另外,我們自己也不可能包攬一切做所有事情,國(guó)際團(tuán)隊(duì)參與合作是一個(gè)非常好的解決方案。

  當(dāng)然,中外團(tuán)隊(duì)加入“拉索”國(guó)際合作組,也有一些必要的門檻設(shè)置來保證合作成效,其中就包括建立一個(gè)“能進(jìn)能出”的評(píng)估機(jī)制,實(shí)現(xiàn)對(duì)國(guó)際合作組成員的動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)整。

  另一種國(guó)際合作方式是吸引國(guó)際優(yōu)秀人才來華加入“拉索”團(tuán)隊(duì),直接到中科院高能所、天府宇宙線研究中心工作。正如中國(guó)俗話所說“栽下梧桐樹,引得鳳凰來”,由于“拉索”國(guó)際影響力不斷擴(kuò)大,國(guó)際科技人才特別是年輕科研人員現(xiàn)在已向“拉索”聚集,包括發(fā)出求職請(qǐng)求等。

  “拉索”項(xiàng)目還充分發(fā)揮中科院建制化研究的優(yōu)勢(shì),面向世界全面開放共享。目前,已有28個(gè)天體物理研究機(jī)構(gòu)成為“拉索”的國(guó)際合作組成員單位,利用“拉索”觀測(cè)數(shù)據(jù)開展粒子天體物理研究,同時(shí)進(jìn)行宇宙學(xué)、天文學(xué)、粒子物理學(xué)等眾多領(lǐng)域基礎(chǔ)研究。隨著通過國(guó)家驗(yàn)收投入正式運(yùn)行,“拉索”也將成為以中國(guó)為主、多國(guó)參與的國(guó)際宇宙線研究中心,并借助高海拔伽馬天文、宇宙線的觀測(cè)優(yōu)勢(shì),成為獨(dú)具特色、綜合開放的科學(xué)研究平臺(tái)。

  我們希望通過中國(guó)“拉索”引領(lǐng)國(guó)際合作,把深入開展宇宙線研究取得的成果,逐步變成認(rèn)識(shí)宇宙的重要組成部分。

  “拉索”已投入穩(wěn)定的科學(xué)觀測(cè)運(yùn)行,正以超越上一代望遠(yuǎn)鏡幾十倍的超高能伽馬射線探測(cè)靈敏度,雄踞世界之首,引領(lǐng)未來的伽馬射線天文學(xué)研究的發(fā)展。相信在未來10年、20年內(nèi),全世界基于“拉索”觀測(cè)數(shù)據(jù)開展分析研究,發(fā)表高水平科研論文,都將為人類進(jìn)一步理解、解釋宇宙作出中國(guó)貢獻(xiàn)。

大科學(xué)裝置“拉索”布設(shè)的探測(cè)陣列。孫自法 攝 

  中新社記者:“拉索”順利通過國(guó)家驗(yàn)收有哪些重要意義與深遠(yuǎn)影響?未來發(fā)展有何目標(biāo)和規(guī)劃?

  曹臻:“拉索”的初步觀測(cè)結(jié)果已經(jīng)刷新了紀(jì)錄,新現(xiàn)象層出不窮,并正在不斷創(chuàng)造奇跡,向人們展現(xiàn)宇宙神秘的細(xì)節(jié),引發(fā)革命性的思考。令人驚嘆的是,目前發(fā)現(xiàn)僅僅用到“拉索”設(shè)計(jì)能力的幾十分之一,隨著“拉索”統(tǒng)計(jì)性的積累,未來還會(huì)有許多重要的、劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)。這也將使得“拉索”在宇宙線研究史上,扮演一個(gè)推開蘊(yùn)藏著謎底的密室大門的重要角色,宇宙中一個(gè)個(gè)“拍電子伏加速器”好比是鎖著謎底的“百寶箱”,已經(jīng)呈現(xiàn)在“拉索”面前。我們將不懈努力探索每一個(gè)“拍電子伏加速器”的超高能伽馬輻射機(jī)制和粒子加速機(jī)制,直到完全揭開宇宙線起源之謎。

  通過國(guó)家驗(yàn)收和全面開放運(yùn)行后,“拉索”首要工作就是積累觀測(cè)數(shù)據(jù),確保未來10年、20年穩(wěn)定運(yùn)行,在此基礎(chǔ)上組織科學(xué)團(tuán)隊(duì)開展深度科學(xué)研究,將“拉索”觀測(cè)積累的紛繁復(fù)雜數(shù)據(jù)利用好、研究好,產(chǎn)出高水平科研成果。

科研人員在大科學(xué)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(gè)方向:一是要加強(qiáng)“拉索”目前尚不具有的某些方面能力,這個(gè)投入相對(duì)比較少,因?yàn)榇罂茖W(xué)裝置已經(jīng)建成,可以提供很多支撐;二是“拉索”要擴(kuò)展新的未知領(lǐng)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(guó)際合作,因?yàn)槟习肭蛭恢玫奶靺^(qū)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(kuò)展“拉索”視野,并將兩者發(fā)現(xiàn)的重大科研成果進(jìn)行檢驗(yàn)和對(duì)比研究。國(guó)際“南天大視場(chǎng)伽馬射線天文臺(tái)”(SWGO)項(xiàng)目已向中國(guó)“拉索”發(fā)出邀請(qǐng),我們也組建了“中國(guó)SWGO合作團(tuán)隊(duì)”。

大科學(xué)裝置“拉索”布設(shè)的探測(cè)陣列。孫自法 攝

  總之,“拉索”讓人類發(fā)現(xiàn)宇宙之旅來到了一個(gè)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(tuán)結(jié)中外宇宙線研究隊(duì)伍,向著更高、更深、更難的科學(xué)目標(biāo)前進(jìn)。(完)

  受訪者簡(jiǎn)介:

“拉索”首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所曹臻研究員。孫自法 攝

  曹臻,中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員,“拉索”項(xiàng)目工程經(jīng)理、首席科學(xué)家。曹臻研究員自1994年起活躍于中外宇宙線和伽馬天文領(lǐng)域,參與多個(gè)國(guó)際知名宇宙線實(shí)驗(yàn),領(lǐng)導(dǎo)和設(shè)計(jì)了多個(gè)大型實(shí)驗(yàn)及其探測(cè)裝置,并實(shí)施了相關(guān)探測(cè)器的研制。

  曹臻研究員在科研歷程中已取得多項(xiàng)重要成果,在國(guó)際專業(yè)刊物發(fā)表130多篇科學(xué)論文,總引用率超過5500次。他從2007年起任中國(guó)物理學(xué)會(huì)高能物理分會(huì)常務(wù)委員,曾任國(guó)際純粹與應(yīng)用物理聯(lián)合會(huì)(IUPAP)粒子天體物理委員會(huì)(C4)成員、粒子天體物理國(guó)際委員會(huì)(WG10)成員等。

【編輯:羅攀】
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