追着未知跑，追着极限跑

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。

我们在建“拉索”时，铆足了劲把缪子探测器的有效面积提升到4%。别小看这4%，它意味着从干扰信号中提取超高能光子信号的“淘金”能力有了质的飞跃。即使对准一个很亮的伽马射线源看，记录下来的宇宙线事例中99.99%都是带电粒子，它们是极强的背景噪声。我们的缪子探测器就像一台精密的“验钞机”——依靠它，能显著降低背景事例数，让那一个个宝贵的光子信号清晰地显现出来。

做学问，有时候还需要耐心地“等”。“拉索”建成后，我的同事李骢等人就盯上了天鹅座方向。2023年，“拉索”在天鹅座区域发现了一个巨型超高能伽马射线泡状结构，里面充满了高能光子。但我们心里清楚：知道“城市”在发光还不够，必须找到“城市”里到底是哪一栋“楼”在发光。超高能光子极其稀少，几万个宇宙线粒子“砸”向大气层，里面只有一两个。2023年的一天，我们发现来自天鹅座方向的超高能光子似乎不是均匀稳定地到来的，时有时无。大家不敢声张——数据太少了，少到无法排除统计误差的可能。团队花了3年多时间积累数据，反复核对。2024年，我们把累积了4年多的数据按照到达时间排布起来，画出了一张分布图——一条正弦曲线逐渐清晰了，光子的数量随着时间有规律地变多、变少，循环往复，周期是4.8小时。“光子的出现果然不是随机事件！”那晚，李骢兴奋得睡不着觉。

4.8小时——这个数字指向了一个困扰人类40多年的神秘双星系统：天鹅座X-3。这是一个在1966年被发现的天体，也是一个让诺贝尔奖得主克罗宁“入坑”伽马天文学却铩羽而归的地方。我们用“拉索”的超高灵敏度，终于锁定了它。我们看到了能量高达4000万亿电子伏特的光子，推测是来自伴星的紫外光子，被能量高达40千万亿电子伏特的质子“一脚踢出来”的——这一脚让紫外光子的能量增加了百万亿倍。这项研究开启了“超高能时域天文学”的新领域。

学问做到今天，我越来越觉得，科学发现没有预期，但必须有信念。从2021年“拉索”发现首批“拍电子伏加速器”和最高能量光子，到2024年认证首个超级宇宙线加速源，再到今天锁定天鹅座X-3这个“宇宙心跳”——每一步都是前人没有走过的路。有人问过我，为什么要做这种看起来“没用”的基础研究？我的回答是：一个国家如果没有在基础科学领域的话语权，就谈不上是真正的科技强国。我们用了三代人的时间追赶世界——从王淦昌、张文裕等第一代在云南落雪山建立中国第一个宇宙线实验室，到谭有恒等第二代建起羊八井观测站，再到我们这一代建成“拉索”——终于在宇宙线研究领域发出了中国人的声音。

如今“拉索”的相关研究报告已经成了各种国际会议的重头戏。但这不是终点。我们现在讨论的问题，已经从“光年级”缩小到了“太阳半径级”。下一步，我们还要找到更高能量的粒子，要进一步扩展观测的范围，建更大的探测器。而我自己，还想把探索宇宙线起源的领域扩展到充满更多未知的中微子天文学。

从落雪山到羊八井，从羊八井到稻城海子山——中国宇宙线研究的接力棒传到了我们这一代手中。做学问这件事，说到底就是一代人接着一代人，追着未知跑，只要坚持跑下去，总能跑到别人没到过的地方。

（作者：曹臻，为中国科学院院士、中国科学院高能物理研究所研究员、高海拔宇宙线观测站“拉索”首席科学家 本报记者崔兴毅采访整理）

（光明日报）