个头不高,皮肤黝黑,笑的时候有些腼腆。眼前这位戴着眼镜的小伙子,与四川省稻城县海子山的高海拔宇宙线观测站“拉索”(LHAASO)结缘已有12年。2012年,90后李骢刚满21岁,尚在求学阶段,因一次课题研究与“拉索”相遇,自此扎根高原。“工程建设时,为了安装、调试探测器,一年中我有1/4的时间在海子山。”如今已成为中国科学院高能物理研究所副研究员的李骢说。

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高海拔宇宙线观测站“拉索”俯瞰图。

以上图片均为受访者提供

“拉索”是世界上海拔最高、规模最大、灵敏度最强的超高能伽马射线探测装置,位于青藏高原最大的古冰体遗迹——海子山。宇宙线是来自外太空的高能粒子,看不见、摸不着,却每时每刻以不同角度闯入地球。因其携带着宇宙起源、天体演化、太阳活动及地球空间环境等重要科学信息,也被形象地称为“天外来信”。

“拉索”团队35周岁以下青年占比约为63%,他们在海子山等候天外信使、传递宇宙奥秘,实现多项重大自主技术创新,推动先进探测技术革新发展,在青春的赛道上步履不停。2024年,团队获第二十八届“中国青年五四奖章”。

建设:

和首席科学家一起拧螺丝

初冬,海子山上,岩石裸露,草木枯黄。站在瞭望台上看,“拉索”仿佛是一盘和宇宙对弈的巨大棋局。在这里,探测器既有在水里的,也有在地表上土堆中的,各式各样的探测技术捕捉着宇宙线来此的踪迹。

“拉索”选址,花了5年。

带着设计方案,从西藏到青海,从云南到四川,团队将具备高海拔特征的区域几乎跑遍。最终,在稻城找到了符合实验条件的海子山。“首先,海拔足够高,可以减少大气对宇宙线测量的不利影响。其次,地势平坦,交通便利,水资源充足,能够满足生产大量超纯水的需求。”作为团队中电磁粒子探测器研制组的一员,35岁的吕洪魁常年奔走在工作一线。

2015年,“拉索”获得国家发展改革委批复立项。2017年,主体工程启动建设,建设周期4年,总投资约12亿元。

按照设计方案,位于中心的7.8万平方米的水切伦科夫探测器阵列由3120个单元探测器组成。安装工艺过程中,不同于验证阶段的小型实验,实际操作起来,定位与调平十分关键。一排30个探测器,中心全要调到一条激光上,这让“拉索”团队水切伦科夫探测器组工程师李凯犯了难。思来想去,他决定,从安装工艺的源头做起,力争减少调节问题。

“通过改良结构设计,我们花了一个月时间,把探测器的工装标准做了统一。”李凯说,那段日子,为赶工期,大伙加班加点,“收尾阶段,电源盒的螺丝还没拧完,团队首席科学家曹臻老师和我们一起拧螺丝。”

顶着风雪,沿着陡坡,安装电磁粒子探测器时,吕洪魁拿着设备,在冰碛垄上现场定位。“碎石多,高差大,行走都难,得弯着腰,贴着坡走才行。”吕洪魁说,确定点位之后,他就拴一根红线作为标记,首批33台电磁粒子探测器,光定位就花了一个星期。

为解决缪子探测器安装时信号较弱的问题,李骢总是白天上山安装调试,晚上回去分析数据。反复测量探测器内袋材料反射率和水质,终于发现问题所在。紧接着,改进工艺,重新测试,历经大半年,缪子探测器的信号问题才得以解决。

从水切伦科夫探测器阵列建成,到电磁粒子探测器完成安装,再到缪子探测器完成调试,在科研人员夜以继日的奋斗下,一座大科学装置拔地而起。

坚守:

用一半的氧气干双倍的活

“先坐飞机到成都,再转机到稻城,最后坐车上山。一到就头晕,睡不着觉,吃不下饭,难受了好几天。”第一次上山时的场景,李凯至今记忆犹新。

1991年出生的李凯是山西人,那一回,是他头一次上青藏高原。高寒、缺氧、头晕,种种不适扑面而来。在高海拔地区进行水切伦科夫探测器安装是个体力活儿,稍一剧烈活动,就会喘不上气。

扛过了多少个零下30摄氏度的夜晚,李凯也数不清了,“最难熬的还是全黑的安装环境,打着探照灯干活,一忙就是一整天。有时从池子出来后,我都分不清是白天还是夜晚。”

原来,“拉索”作为我国第三代高山宇宙线实验室,由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组成。建设水切伦科夫探测器阵列时,3个水池共7万多平方米,有35万吨纯水,足有4.5米深,金属结构的屋顶罩住整个水池,建设期间几乎处于完全黑暗的环境。

划着小船,进入探测器内部,越往里走,体温越低,纵目所及,除了手电筒射出的光亮,便是无尽的黑暗。“这里水温很低,接近0摄氏度,湿度超过90%。”李凯熟练地拉开绳索,边划船边说。设备硬件安装好后,每年他都要上山两次,对水切伦科夫探测器进行维护检修。

面对种种困难,谈及为何能够坚持,李凯说:“时间一长,就适应了。再说了,我还有这么多志同道合的小伙伴一起呢!”

学生时代的一次课题研究,让李骢与“拉索”相遇。“当时我研究的是光信号在超纯水中的衰减长度,这也是缪子探测器研制过程中的一个关键性能指标。”李骢回忆,从设计到验证,一钻研进去,就是3年。实验室里的研究结果,还得搬到海子山上实践。

高原气候,极其严酷。“经常外边下雪,我们在帐篷里做实验,有时帐篷被风刮跑,就追着找回来。”李骢说,“我们是要用一半的氧气干双倍的活。”每当觉得辛苦的时候,想想前辈们的坚守,大伙又能满血复活。

科研:

探索的过程是一种享受

为了充分利用观测资源,“拉索”团队的思路是“边建设,边运行”。第一年,先建1/4,运行半年,再建1/4,凑成1/2,再运行半年。

令人惊喜的是,2020年,刚刚建成一半的“拉索”就迎来了第一个重大科学发现。“拉索”在银河系内发现大量超高能宇宙加速器,并记录到1.4拍(1拍等于千万亿)电子伏的伽马光子,这是人类观测到的最高能量光子。

此后,成果接连涌现。

今年2月,“拉索”团队再传重大发现:在距离地球5000光年左右的天鹅座恒星形成区,发现一个巨型超高能伽马射线泡状结构,是历史上首次找到能量高于1亿亿电子伏的宇宙线的起源天体。

“这次‘拉索’最大的发现是找到一个类似于大球的泡状结构,通过数据,我们认为泡状结构的中央可能就是宇宙线起源天体。”作为研究参与者,李骢难掩兴奋。收集数据、分析信息、编程处理……工程建设完后,他便投入到了数据观测中,马不停蹄,“课题要是没做完,心里就会老惦记。有时灵光一闪,找到思路,我就会赶紧编程记录下来。”对他来说,探索的过程是一种享受。

如今,基于“拉索”数据,吕洪魁也在开展“深度学习在‘拉索’实验数据分析中的应用”研究。早上到岗之后,首先阅读文献,然后进行数据分析。“最近我们利用深度学习模型,高效地挑选出了高能宇宙线中的质子和氦核,实现了更好的粒子鉴别。与传统方法相比,通过深度学习进行鉴别,准确率得到了明显提升。”吕洪魁说。

而从“拉索”成长起来的李凯,则投入到了一个全新研究项目——高能水下中微子望远镜实验的研制工作。在这个年轻的科研人员看来,“拉索”带给他更多的,是一种坚持不懈、勇于探索的精神,这段经历,也会激励着他迎难而上。

曾经,海子山上,午夜狼嚎声响,是当地人口中“连牦牛都不去的地方”;如今,稻城“拉索”,是目前世界上海拔最高、规模最大、灵敏度最强的宇宙线观测站。“拉索”好似茫茫宇宙中的一个邮箱,一刻不停接收着天外来信,对于团队中这群问天求索的年轻人来说,一个新宇宙的大门已被推开,他们肩负着开拓和创新的使命,创造出了一个又一个奇迹。