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曹臻院士——追着未知跑,追着极限跑

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做学问这件事,说到底就是认准一个目标一直追下去——追着未知跑,追着极限跑。我这一辈子,追的就是宇宙线的未知源头。

从云南大学物理系毕业多年后,1987年,我进入中国科学院高能物理研究所,师从谭有恒研究员开始“追”的历程。谭有恒是继王淦昌、张文裕、何泽慧、萧健等科学家之后,我国第二代从事宇宙线研究的科学家。那时候我心心念念想做理论物理研究,可导师递给我一张手绘草图——一个缪子探测器的设计图。“我们去把它做出来。”他说。

1988年,我们跟着谭老师在怀柔一小片桃园里,用56台样机搭建我国自己的宇宙线观测阵列。“我们一起掘地三米,用来放探测器。”遗憾的是,因为防水技术不过关,实验失败了。但那段经历让我看到了实验物理的魅力——“令人着迷。一旦做进去了之后,就会觉得这个东西非常有趣。”

怀柔的失败没有让我们气馁,谭老师联合日本、意大利科学家发起“西藏计划”,建成了羊八井宇宙线观测站。1992年,我成为羊八井的第一位值班人员。在海拔4300米的高原上,大自然狠狠给我上了一课——“缺氧、晕厥、失眠。我立志一辈子都会在高山上,但这第一次就把我‘放翻’了。”那时候上高原的路不好走,经费也不多,大家三四个月待在现场不下山。中方负责羊八井基地建设,外方提供阵列设备。数据完全控制在外国科学家手中,我们使用的都是经过他们研究之后的“二手货”。中国人要获得宇宙线研究的话语权——这个念头,从那时起在我心里扎下了根。

1994年博士毕业后,我前往美国俄勒冈大学,后又到犹他大学参与国际最大的宇宙线实验之一HiRes。那段时间,我发现了宇宙线能谱第二膝现象,还参与了“GZK截断”现象的重要发现。2004年,旅美十年的我选择回到久别的高能所、羊八井,成为羊八井中意合作ARGO-YBJ实验的中方负责人。理由很简单——中国在包括探测宇宙线在内的基础科学研究正展现出强劲的发展势头,宇宙线科学研究巨大进步的历史机遇正在孕育,我们不能错过这个良机。

2009年2月18日,在北京香山科学会议上,我代表团队第一次完整提出了“高海拔宇宙线观测站”——“拉索”的构想。

从构想到建成,这条路走了十几年。选址就花了6年,我们跑遍了西藏、云南、青海、四川,最终选定了四川稻城海子山——海拔4410米。2015年获批立项,2017年主体工程动工,2021年全部建成,2023年通过国家验收。

做“拉索”这个装置,最难的不是技术,而是怎么在有限的经费里实现最大的科学目标。我们设计了一个1平方公里的地面簇射粒子探测器阵列,由5216个电磁粒子探测器和1188个缪子探测器组成。这个设计背后有一个重大教训。上世纪90年代,诺贝尔奖得主詹姆斯·克罗宁在美国做了一个叫CASA-MIA的实验,就是受到探测天鹅座X-3的超高能伽马射线信号的强烈召唤。但他设计的缪子探测器只覆盖了阵列面积的1%左右,观测了3年,1996年就放弃了,没看到超高能伽马射线源。从这里,我学到了重要的一课:1%远远不够。

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