人物名片：曹臻，國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項目“高海拔宇宙線觀測站”（LHAASO）首席科學(xué)家，四川天府新區(qū)宇宙線研究中心主任，中國科學(xué)院高能物理研究所粒子天體物理中心研究員，中國科學(xué)院粒子天體物理重點實驗室副主任，博士生導(dǎo)師。2022年四川“最美科技工作者”。主持完成了1993至1996年HiRes prototype的數(shù)據(jù)處理和物理分析，證實了位于亞EeV能區(qū)的宇宙線能譜“第二個膝”的存在和相應(yīng)的宇宙線成分的變化，在PRL和APJ等雜志上發(fā)表多篇文章，引發(fā)了當今對銀河系宇宙線高端能譜的深入研究。
在漁獵農(nóng)耕時代，人們便觀察太陽、月亮和星星的運動并以此辨別方向，編制歷法，確定時間和季節(jié)、指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)……在無數(shù)人仰望星空的追問和探索中，我們的文明完成了一次次蛻變。如今，人類對宇宙的認知不斷刷新，目之所及的光也從可見光延伸到各個波段的電磁波。畢竟，宇宙中還有許多肉眼無法看見的粒子在接近光速飛行，其中不少會從各個方向穿過大氣層“光顧”地球。這些“沉默不語”的“客人”是來自外太空的唯一物質(zhì)樣品，是被稱為“宇宙信使”的宇宙線。而能夠到達地球附近的初級宇宙線能量跨度很大，不同的能量反映了它們不同的起源。
1903年，英國著名物理學(xué)家、原子核物理學(xué)之父歐內(nèi)斯特·盧瑟福和庫克首次在實驗中發(fā)現(xiàn)宇宙線的存在，由此拉開了人類探索宇宙高能加速器的序幕。1912年，奧地利物理學(xué)家赫斯乘坐氣球?qū)⒏邏弘婋x室?guī)У?350米高空完成了多次重要的實驗，據(jù)此，他首次提出一種新的假說：“這種迄今為止尚不為人知的東西主要在高空發(fā)現(xiàn)……它可能是來自太空的穿透輻射。”從那時開始，從布萊克特到恩利克·費米……一代又一代的物理學(xué)家們對宇宙射線的各種效應(yīng)和起源問題進行了廣泛研究，不斷拓展、完善高能物理知識體系，也拓展著人類認知的邊界。
接過中國高能物理研究接力棒
中國的高能物理研究始于20世紀50年代，以王淦昌、張文裕、何澤慧、肖健為代表的科學(xué)家們，從海外回到中國，開啟了中國宇宙線觀測研究。他們在海拔3200米的云南落雪山建成我國第一間宇宙線實驗室——落雪站。他們以多板云室和小磁云室為手段，在“奇異粒子”和高能核作用研究上取得過輝煌的成就。至此，中國的物理學(xué)家們也開始一代又一代在世界高能物理知識體系中寫上中國注腳，而曹臻便是其中之一。
1982年，曹臻畢業(yè)于云南大學(xué)物理系。20世紀80年代末，他進入中科院高能物理研究所宇宙線團隊，師從第二代宇宙線研究科學(xué)家霍安祥、丁林塏和譚有恒。高能物理對于曹臻來說，就像他喜歡的巴赫的古典音樂一樣，嚴謹、深沉又廣闊。1990年，海拔4300米的羊八井觀測站（以下簡稱“羊八井”）建成，并以其不可替代的特色立足于國際前沿。作為譚有恒的學(xué)生，曹臻跟隨老一代科學(xué)家們開啟了我國宇宙線研究從單一課題到多學(xué)科方向、從手工化到現(xiàn)代化大科學(xué)的轉(zhuǎn)型。1994年，他前往美國，先后在俄勒岡大學(xué)物理系、猶他大學(xué)物理系做研究。在此期間，曹臻參與了大型宇宙線實驗HiRes，發(fā)現(xiàn)宇宙線能譜第二膝現(xiàn)象；參與發(fā)現(xiàn)GZK截斷現(xiàn)象……取得了一系列科研成果。
2004年，曹臻回到中科院高能物理研究所。次年，他出任在羊八井的中意合作項目ARGO-YBJ實驗中方負責人，牽頭建成全覆蓋式大型空氣簇射陣列，組織分析相關(guān)數(shù)據(jù)并獲得系列科研成果。2009年，曹臻代表團隊在北京香山科學(xué)會議上提出在高海拔地區(qū)建設(shè)大型復(fù)合探測陣列“高海拔宇宙線觀測站”的完整構(gòu)想。2015年，國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項目“高海拔宇宙線觀測站”（LHAASO）立項。為了選址，曹臻帶領(lǐng)團隊歷時五年跑遍了西藏、青海、云南、四川等地，最終選定位于甘孜稻城海拔4410米的海子山上。在這個青藏高原最大的古冰體遺跡旁邊，將誕生曹臻牽頭打造的人類仰望古老星空的新平臺，而曹臻也成長為我國第四代高能物理研究領(lǐng)軍人物。
牽頭建設(shè)大科學(xué)裝置LHAASO
2017年，LHAASO主體工程動工；2022年10月，項目通過驗收，正式投入運行。五年里，曹臻自己都數(shù)不清在北京、成都、稻城來回奔波了多少次。在高原，曹臻和團隊不只要應(yīng)對復(fù)雜繁重的工作，還要面對強烈的高原反應(yīng)，頭痛、氣喘、整夜睡不著覺……為了保持狀態(tài)，他們隨時都背著血氧機和氧氣瓶，當血氧儀中的數(shù)字下降到百分之七八十，就做幾下深呼吸，或者吸幾口氧。而為了保證入睡，曹臻每天都靠安眠藥輔助。面對艱苦的條件，很多工人都選擇了離開，甚至有人都沒有下車便直接打道回府。“但是100多人的科學(xué)團隊，沒有一個人退下來，因為我們堅信這件事是值得的。”曹臻說。
LHAASO總占地1.36平方公里，由占地面積1平方公里的地面簇射粒子陣列、5216個電磁粒子探測器、1188個繆子探測器以及78000平方米水切倫科夫探測器組成。三大探測器陣列，都是世界最大規(guī)模。水切倫科夫探測器面積相當于2.5個“水立方”，內(nèi)部是深4.5米、蓄水量到35萬噸的密閉純凈水池，水底布滿擁有3000多路探測單元的水切倫科夫探測器陣列，比美國同類探測器大4倍左右。規(guī)模大，能量覆蓋范圍就廣，靈敏度就高，但建設(shè)難度也更高。曹臻既是項目首席科學(xué)家，也是項目經(jīng)理。除了復(fù)雜的自然環(huán)境，他還要應(yīng)對施工過程中不斷出現(xiàn)的狀況。
水切倫科夫探測器的水池下面要修建精度要求極高的水泥底板；水流循環(huán)使用泄漏率要控制在15‰；在海拔4410米，年最低氣溫零下35攝氏度的高寒地區(qū)，水池不能結(jié)冰；水池需要懸吊，但鋼架要求極為輕薄；頂棚不能遮擋宇宙線穿過……諸多要求在設(shè)計施工團隊看來極為苛刻，而這樣的工程造價超出預(yù)算幾十倍，甚至有設(shè)計師直接說“做不了，達不到安全標準，按你這個要求我不能在施工單上簽字！”沒辦法，曹臻和團隊與設(shè)計施工團隊反復(fù)開會、研究，共同想辦法。最終，設(shè)計施工單位在國內(nèi)首創(chuàng)了特有的“薄壁混凝土現(xiàn)澆邊墻+軟基土工膜防滲系統(tǒng)+大跨度輕鋼屋面”結(jié)構(gòu)，大幅節(jié)省建設(shè)周期、節(jié)約工程造價，成功實現(xiàn)了探測器對避光、防凍、防銹蝕和水位保持等超標準指標要求，并榮獲2020年度四川省優(yōu)秀工程勘察一等獎與設(shè)計一等獎（“天府杯”）。“LHAASO的建設(shè)也有賴于我們國家強大的工業(yè)、建設(shè)體系，而大科學(xué)裝置的建設(shè)也推動了工業(yè)體系發(fā)展，我們提出的要求基本上都做到了，所以能獲得‘天府杯’是實至名歸。”曹臻說。
以精益求精推動自主創(chuàng)新
不僅如此，LHAASO還應(yīng)用了多項我國自主研發(fā)的技術(shù)和設(shè)備，完成了多項關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)。
廣角切倫科夫望遠鏡被稱為甚高能γ射線天文觀測的利器，能捕捉原子核產(chǎn)生窄角切倫科夫輻射發(fā)出黯淡的光。但切倫科夫持續(xù)短，強度弱，因此大多主要的切倫科夫望遠鏡都選擇了相對“古老”的光電倍增管。這種子古老的光電管對光源特別敏感，只能在漆黑沒有一點光源的夜晚運行，“電筒的光一晃就報廢了，我們團隊自主創(chuàng)新，首次在大視場成像切倫科夫望遠鏡中大規(guī)模使用新型硅光電管，徹底改變了這類望遠鏡不能在月夜工作的傳統(tǒng)觀測模式，甚至白天也能運行。而這項技術(shù)也不再局限于實驗室，甚至可以拓展到自動駕駛領(lǐng)域，提高攝像機的靈敏度。”曹臻驕傲地說。
同時，項目團隊還發(fā)展了基于“小白兔”技術(shù)，適應(yīng)4000米以上高海拔野外工況的大面積、多節(jié)點、高精度時鐘同步技術(shù)，提升了該技術(shù)遠距離同步精度5倍到0.2納秒；采用了國產(chǎn)20英寸超大型光電倍增管，并將時間響應(yīng)提高了3倍，突破了國際上的技術(shù)壟斷；把觀測閾能從300 GeV（十億電子伏特）降低到70 GeV，大大擴展了觀測能力；在海量數(shù)據(jù)獲取技術(shù)上取得顯著進步，發(fā)展并實現(xiàn)了“無觸發(fā)”數(shù)據(jù)獲取，對數(shù)據(jù)量高達4GB/s的宇宙線事例實現(xiàn)“零死時間”觀測；采用特殊的數(shù)據(jù)篩選技術(shù)，對海量數(shù)據(jù)進行無損壓縮，實現(xiàn)從海子山到高能所的實時數(shù)據(jù)傳輸。
“在修建一號水池時，中科院高能物理研究所與北方夜視技術(shù)股份有限公司聯(lián)合研發(fā)出我國具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的20英寸光電倍增管。”曹臻自豪地說，這實現(xiàn)了技術(shù)上的突破，打破了國際上單一供應(yīng)商壟斷的局面，LHAASO 2/3的面積也用上了這種先進的設(shè)備，提升了探測器的能力。
一項項關(guān)鍵技術(shù)的突破，一個個先進設(shè)備的應(yīng)用，為LHAASO開啟觀測“超高能伽馬射線天文學(xué)”的新窗口提供了有力支撐。LHAASO也被國際著名天體物理學(xué)家譽為“已經(jīng)投入觀測運行了的未來探測器”。
為提高效率、克服環(huán)境對工程的影響，LHAASO項目團隊采取“邊建設(shè)、邊運行”的模式，利用已建成的部分陣列積極開展科學(xué)觀測。LHAASO也不負眾望，在試運行時期間便接連發(fā)布重大成果。2021年5月，LHAASO在人們原以為溫和、中庸的銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)12個穩(wěn)定的超高能伽馬射線源，“這是人類迄今觀測到的最高能量光子，這意味著銀河系內(nèi)大量存在超高能宇宙線加速器。也向著解決宇宙線起源的‘世紀謎題’邁出了重要一步，開啟了‘超高能伽馬天文學(xué)’的時代。”曹臻解釋道。該成果在Nature（《自然》）上一經(jīng)發(fā)表便轟動全球，迅速沖上了全球科研類論文關(guān)注度排行榜top 1%、Nature刊發(fā)所有論文關(guān)注度排行榜top 11%，并成功入選2021年中國十大科技進展新聞。時隔不到兩個月，2021年7月9日，LHAASO再次取得重大科學(xué)成果，并在Science（《科學(xué)》）上發(fā)表。LHAASO精確測量了高能天文學(xué)標準燭光的亮度，覆蓋3.5個量級的能量范圍，為超高能伽馬光源測定了新標準。同時還記錄到能量達1.1拍電子伏的伽馬光子，相關(guān)結(jié)果挑戰(zhàn)了高能天體物理中電子加速的“標準模型”。
對LHAASO的一系列重大發(fā)現(xiàn)，曹臻歸為“幸運”。“這些觀測成果已經(jīng)展現(xiàn)出LHAASO強大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)威力。”說起LHAASO，曹臻無比興奮。在依托LHAASO開展宇宙線研究的同時，他還帶著中國第四代和第五代宇宙線研究者走向國際，參與南半球廣域伽馬射線天文臺（SWGO）的醞釀工作。“在過去50年里，我們國家的高能物理一直處于第一梯隊跟跑的水平，雖然沒有掉隊卻沒有引領(lǐng)，LHAASO讓我們有了這種可能，新的發(fā)現(xiàn)必然帶來革命性的理論和新的規(guī)律，對這些現(xiàn)象的理解和新規(guī)律的總結(jié)是作為物理學(xué)家的我們要去做，也是國家發(fā)展必然的使命和責任。我們也必然會吸引全球的科學(xué)家參與到我們的國際合作中來，與世界各地的科學(xué)家們一道繼續(xù)探索宇宙射線的起源，進一步了解銀河系本身，使得我們的對宇宙的理解不斷豐富。”曹臻說，“我們終將不斷拓展認知，也終將走向更遼遠的星際。”
