宇宙射线起源于哪里？其携带的超高能量背后有哪些人类尚未掌握的原理？为解开这一国际物理学界的世纪之谜，中国高海拔宇宙线观测站（LHAASO）即将在平均海拔4410米的西南地区四川省稻城海子山全面开工。它也将成为全球最大的同类型观测站。观测站选址在有“最后的香格里拉”之称的稻城，“绿色施工”将贯穿建设过程始终，多项植被保护与恢复措施与建设工程同步。这一大科学工程项目也得到了当地藏族同胞的支持。
随着中国国家重大科技基础设施项目——高海拔宇宙线观测站首席科学家曹臻的介绍，能看到在稻城海子山1.36平方公里的观测站建设范围内，路、水、电、土地平整等配套性工作已基本完工。巨大的冰川漂砾（巨石）中间，因建设而翻铲出的高山草甸，都被工程人员细心地摞好并养护，等待着未来的复原。工地现场已经具备了大科学装置的开工建设条件。
作为太阳系以外唯一的物质样本，宇宙线在1912年被发现以来，与之相关的研究已经产生了数枚诺贝尔奖牌，但人类却始终没有发现宇宙线的起源。宇宙线的起源也因此成为国际物理学界的“世纪之谜”。为什么要观测宇宙线？长期研究天体物理的中国科学家曹臻说：“宇宙线的特点，重要性就是它携带的能量，比我们现在人工加速器的能量高得多得多。因此，探索这种加速机制，向宇宙学习：怎么去把粒子加速到这么高的能量？这里面有没有新的物理原理或者机制？这都是我们探索的整体内容之一。这个事情得一步步来，我们现在要做的工作只是第一步，找到源，接下来还要研究源。用各种各样的手段：多波段也好、多信使也好，把这个源的原理和机制全部搞清楚。我相信在搞清楚的过程中，关于加速、关于磁场产生的条件、关于高密度高温度的环境……可能就会对我们的知识体系产生更大的影响。”
为什么要在高海拔的地方进行观测？因为高山实验是宇宙线观测研究中能够充分利用大气作为探测介质、在地进行观测的手段，其规模远大于大气层外的天基探测器。对于超高能量的宇宙线观测，这是唯一的手段。因此，新中国从上世纪50年代开始进行宇宙线研究，曾先后在云贵高原的云南落雪山和西藏的羊八井建立宇宙线观测站，后者更成为当时国际四大超高能γ天文和超高能宇宙线研究阵列之一，在大视场巡天领域处于国际先进行列。
为进一步探索高能宇宙线起源并开展高能辐射、天体演化以及暗物质分布等基础科学研究，中国政府于2015年12月批准了高海拔宇宙线观测站的建设项目。未来四年，将共有近6000个电磁粒子探测器、1200缪子探测器、3000个水切伦科夫探测器以及12台广角切伦科夫望远镜，组成四大探测器阵列，部署在1.36平方公里的观测站内。它们将创造三项世界之最。中科院高能物理研究所副所长罗小安介绍说：“这是我国大科学装置在西南地区的重要布局，建成后将实现世界最高能的探测灵敏度，最灵敏的甚高能伽马射线巡天探测，最宽广的宇宙线能谱测量范围。做成之后一定能够达到世界领先水平的。”
针对探测器的特点和需求，中国的科学家们还开发了远距时钟在“亚纳秒”精度上的同步技术，同时还将实现高计数率条件下的前端信号数字化、光敏探测器的升级换代。
高海拔宇宙射线观测站项目经理兼总工艺师、中科院高能物理所研究员何会海介绍说，在如此大的范围内，将时间的同步精度提高到0.1纳秒（10的负十次方秒），这也是世界首次。“粒子的速度是以光速在跑的。它是像下雨一下，刷一下下来，怎么知道它从哪个方向来？根据先到后到的时间差，我们就能够算出来方向。在这样的公里量级上，能够把表对准到10的负十次方秒这个量级，这是全世界头一次实现的。”
高海拔宇宙线观测站所在的稻城，因雪山碧水、植物繁茂，恍若仙境，被中外人士视为是传说中神秘圣境“香巴拉”的所在地。因此，“绿色施工”将贯穿建设过程始终。未来，观测站内还将同步开展高原生态、生物等交叉研究。常驻稻城的工程办公室成员罗荣多吉透露：“据我了解，环保这一块，这个项目可以说基本没有（影响）。因为探测器项目符合国家的环保标准。对野生动物不会有影响。对水源和草地目前会有一定的影响，但是我们会做植被的恢复，一方面是前期保护，另一方面把工程铲出的草甸进行养护，养护之后等路修好了，直接铺回去。这是可再生回去的。”
23岁的罗荣多吉还表示，当地的藏族同胞欢迎大科学装置落户自己家乡。“在藏族传说里、藏民族文化里，是存在宇宙的，是跟时间时空是有联系的。这么大型的科学装置，对老百姓来说，这从来没见过的东西，有点像传说一样。可能他们不知道宇宙线是什么，但是在当地人看来，这是对科学的奉献，对人类是有好处的。只要不对生活有影响、不与宗教有冲突，那就是没问题的。”
中国是世界上最早进行天文观测和记录的国家之一。而未来，高海拔宇宙线观测站建成并投入使用后，也将与国际另外三个大型实验一起成为宇宙线领域的支柱性实验装置，共同挑战宇宙线起源的世纪之谜。高海拔宇宙线观测站首席科学家曹臻说：“这四大观测站：第一是在南极，冰立方中微子实验，以美国为首的项目，研究手段是宇宙线中微子。第二种手段是瞄准极高能宇宙线粒子，极高能宇宙线粒子非常稀缺，就要建3000平方公里的大阵列，一共由15个国家参与实验。另外一个更重要、更活跃、非常成功的领域就是伽马天文，分两条路子走：一是我们 LHAASO 这样的大型地面阵列，还有一条路是大型的切伦科夫望远镜，瞄准天上的星体来做研究。这样就形成了三个不同的研究方向、四种支柱性的探测手段。”
按计划，中国政府将于2021年对高海拔宇宙线观测站进行竣工验收。这一观测站还吸引了法国、意大利、俄罗斯、瑞士、泰国的研究机构参与建设并进行科技合作，未来将成为以中国为主、多国参与的国际高海拔宇宙射线研究中心。
LHAASO 的科研团队将在平均海拔4410米的冰川漂砾上，创造宇宙线观测的多项新的世界之最 刘轶瑶摄
中国高海拔宇宙线观测站（LHAASO）即将在平均海拔4410米的西南地区四川省稻城海子山全面开工。刘轶瑶摄
文章转载于微信公众号中科院之声
