国家重大科技基础设施，又称大科学装置，是推动科技创新、突破关键核心技术的利器。

2023年5月，稻城海子山，在平均海拔4410米的高原上，一座占地面积1.36平方公里的大科学装置——高海拔宇宙线观测站（LHAASO）正观测着来自宇宙空间中高能粒子的“脉动”，将观测到的宇宙线“密钥”实时传输回位于成都和北京的“大本营”，以每年产生13PB数据量的速度“加载”着揭开宇宙线起源“世纪之谜”以及空间科学研究的“进度条”。

5月10日，国家重大科技基础设施高海拔宇宙线观测站（以下简称“LHAASO”）顺利通过国家验收，投入正式运行。这个世界上海拔最高、规模最大、最为灵敏的LHAASO开启了“超高能伽马天文学”时代，为系统开展高能宇宙线物理、极端条件下高能天体辐射及新物理研究提供“大科学”支撑。

用微观粒子破译“宇宙密码”

在海拔4410米上叩问“世纪之谜”

浩瀚宇宙中，除了星月之外，还隐藏着无数粒子正以光速造访地球，它们就是宇宙射线。宇宙射线是来自地球以外广袤空间的微观粒子。这些肉眼看不见的“宇宙密码”，蕴含着宇宙起源、天体演化、太阳活动及地球空间环境等重要科学信息，“破译密码”是人类探索宇宙及其演化的重要途径之一。

“宇宙线粒子进入大气层后，会和大气中的原子核发生相互作用产生许多次级粒子，落在地面时就像粒子‘阵雨’。”中国科学院高能物理研究所研究员，LHAASO项目副经理兼总工艺师何会海介绍说，这些次级粒子将继续与大气中的原子核发生作用产生新的次级粒子，最终次级粒子数最高可达百亿，而这个“下阵雨”的过程称为广延空气簇射（EAS）。“LHAASO就像一个大型‘集雨’装置，通过对粒子‘阵雨’的分析，反推原初宇宙线粒子的性质，开展伽马天文观测、宇宙线成分与能谱精确测量、暗物质探索等科学研究。”

那么LHAASO“安家”的这个海拔高、空旷的“无人区”哪里好？

合适的大气条件是收集粒子“雨滴”的首要条件，高海拔地区地势较高且空气稀薄，观测效果最佳。“选址工作从2009年开始，我们跑遍了藏、滇、川、青各个省份，最终选址稻城海子山。”谈及观测站选址，“拉索”首席科学家，中科院高能物理研究所研究员曹臻说道，宇宙线观测需要高海拔，尽量降低大气层的影响，同时与光学天文观测一样，还需要非常优秀的大气积分水汽含量和光污染环境指标，以便捕捉高能粒子和光子的踪迹。

除了大气条件，地势广阔且平坦也是考虑因素之一。俯瞰稻城海子山LHAASO，这个人类研究宇宙线的大型实验装置，由5216个电磁粒子探测器和1188个缪子探测器构成的一平方公里地面簇射粒子探测器阵列、78000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。“我们需要相对平缓和宽阔的场地来布局这三大探测器阵列。”何会海告诉记者，观测基地占地面积约1.36平方公里，相当于190个足球场大小。

“这几种探测器阵列的组合，能够全方位、多变量、大范围地实现精确测量，对空气里面宇宙线级联的反应过程进行完整重建。”曹臻介绍道，LHAASO充分利用世界屋脊的高海拔优势，成为目前世界上最灵敏的超高能伽马射线探测装置、世界上灵敏度最高的甚高能伽马射线源巡天普查望远镜，以及能量覆盖范围最宽的超高能宇宙线复合式立体测量系统。

开启“超高能伽马天文学”时代

“24h全天候”守候

一边加紧工程建设，一边产出创新成果。LHAASO项目团队通过自主创新和国际合作，完成了多项关键核心技术攻关。

宇宙射线的能量可以有多高？肉眼可见光的光子能量范围约为1.62eV～3.11eV（电子伏特）；而太阳时刻进行的核聚变所产生的光子能量达到了数十MeV；而高能光子的能量却可超过1PeV……人类探索认识宇宙的边界一步步正在拓展开来。

“在LHAASO仅建成1/2规模的时候，用不到一年的观测数据，就将超高能伽马射线源数量提升到了12个，甚至发现了1.4PeV的伽马光子，这是人类迄今为止探测到的最高能量光子。”曹臻指着LHAASO现已建成的世界上最灵敏的超高能伽马射线探测装置，并介绍着它的“伟绩”。

“实现全天候24h不间断、宽视场捕捉甚高能宇宙线，全靠这个总面积78000平方米大的‘水立方’。”中国科学院高能物理研究所研究员、水切伦科夫探测器列阵列（WCDA）分总体主任陈明君介绍道，这个“水立方”是迄今为止世界上面积和体积最大的人工水切伦科夫探测装置，在从70GeV到20TeV的甚高能区具有国际上最高的伽马巡天灵敏度。

陈明君说，“我们创新采用了国产20英寸超大型光电倍增管，并将时间响应提高了3倍；把观测阈能从3000亿电子伏降低到700亿电子伏，大大扩展了观测能力。”

LHAASO建设期间即开展观测，成果涌现与技术突破犹如“雨后春笋”。

基于其超高的探测灵敏度，LHAASO在初步运行期间已经取得多项突破性的重大科学成果。LHAASO在银河系内发现大量超高能宇宙加速器候选天体；精确测定了标准烛光蟹状星云的超高能段亮度，发现1千万亿电子伏伽马辐射挑战理论极限；截至目前，基于LHAASO项目发表的期刊论文累计215篇，会议论文156篇。

除了重大创新成果与发现，建设过程中还有多项关键技术取得突破。首次在大视场成像切伦科夫望远镜中大规模使用新型硅光电管，改变了这类望远镜不能在月夜工作的传统观测模式，实现了有效观测时间的成倍增长；发展了基于“小白兔”技术、适应4000米以上高海拔野外工况的大面积、多节点、高精度时钟同步技术，远距离同步精度提升到0.2纳秒，达到国际领先水平；在海量数据获取技术上取得显著进步，发展并实现了“无触发”数据获取，对数据传输率高达4GB/s的宇宙线事例实现“零死时间”观测；采用特殊的数据筛选技术，对海量数据进行无损压缩，实现从海子山到高能所的实时数据传输。

“稻城观测+成都研究”

宇宙线前沿成果将从成都走向世界

在LHAASO建设过程中，成都创新力量不仅参与其中，还发挥着重要作用。“四川大学、西南交通大学等众多在蓉高校都积极参与到LHAASO的建设中，作出了很大的贡献。”曹臻表示，来自成都的工程建设合作单位就更多了，像成都勘测设计研究院有限公司参与建设的水切伦科夫探测器列阵（WCDA）水池，实现了多项技术突破，也为LHAASO的正常运行提供了有力的保障。

比如，西南交通大学承担了广角切伦科夫望远镜阵列（WFCTA）激光标定和大气监测系统的建设任务，完成了3套激光标定系统的远程控制运行设计。

重大科技基础设施，正成为成都集聚科创资源的“强磁铁”。

就在三个月前，天府宇宙线研究中心（以下简称“中心”）在成都正式揭牌，中心依托LHAASO开展科学研究，将凝聚相关领域的顶尖队伍，支撑其科学运行，深度开展相关研究，为解开宇宙线起源这一“世纪之谜”提供重要的科学支撑。“中心将整合国内一流的粒子天体物理学者，产出更多原创成果，也将依托中心布局更多科技基础设施，进一步拓展我国宇宙线研究领域。”中科院高能所研究员、天府宇宙线研究中心副主任张寿山表示。

创新探索“稻城观测+成都研究”发展模式，中科院成都分院将为中心在宇宙学、粒子物理、空间环境等交叉研究领域提供综合平台。“一方面，天府宇宙线研究中心将与中科院高能所共同承担起LHAASO数据分析的重任，开展前沿科学研究；另一方面，中心将开展大量的学术交流活动，成为重要的学术交流平台。”曹臻表示，LHAASO面向国内外全面开放共享，预计每年会在蓉举行至少2次合作组相关会议，吸引国际相关专家来蓉开展科学研究、讨论交流，一大批宇宙线前沿科学成果有望从成都走向世界。

此外，曹臻透露，中心还将利用成都科学城创新资源集聚的优势，进行探测器技术研发和储备，为将来的大科学装置和更高的科学目标做准备。与此同时，天府宇宙线研究中心还将充分利用自身创新资源，开展丰富的科普活动，面向公众普及宇宙知识，埋下科学梦想的“种子”。

成都日报锦观新闻 记者 黄雪松  责任编辑 何齐铁 编辑 刘永豪 供图 中科院高能所