捕捉“宇宙信使”：中国大装置追问宇宙起源｜千名院士·千场科普

探索宇宙奥秘 曹臻讲座

封面新闻记者 张峥 摄影报道

“我们用了四种探测器来‘捕捉’宇宙线，其中有一个大水池，高度差不多5米，比这个报告厅还高……”10月21日下午，成都市科技中学报告厅，中国科学院院士、“拉索”首席科学家曹臻带来《拉索：捕捉高能信使，探索宇宙奥秘》科普报告，800多名师生和部分通过网络征集而来的家庭代表现场聆听。

前不久，2026年诺贝尔物理学奖授予比利时裔美国科学家弗朗西斯·哈尔岑，以表彰他对南极“冰立方”中微子天文台的决定性贡献。而在四川稻城海拔4410米的海子山上，中国科学家建设的高海拔宇宙线观测站“拉索”，也在用另一套“捕捉宇宙线”的方式探索宇宙之谜。

10月21日至26日，“科学与中国——千名院士·千场科普”四川行暨第五届“粒子天体物理学家校园行”系列科普活动在成都举行。来自中国科学院高能物理研究所、南京大学、中国科学技术大学、四川大学等单位的21位科研人员走进成都21所初高中，为同学们带来关于宇宙奥秘的科普讲座。据悉，该活动已持续三年，累计影响超过240万名学生。

探索宇宙线起源之谜

站在世界前沿，解码宇宙奥秘

“拉索”全称高海拔宇宙线观测站，位于海拔4410米的四川稻城海子山，由中国科学家自主设计、建设和运行，2023年通过国家验收，已有30多个国际组织参与合作。它的建设，源于人类对宇宙起源的好奇：宇宙线从哪里来？为什么拥有如此高的能量？

宇宙线是来自宇宙深处的高能粒子，看不见、摸不着，却携带着宇宙起源、天体演化和极端物理过程的重要信息。为探索宇宙线，1912年，奥地利科学家赫斯乘坐热气球升至约5000米高空——曹臻的讲座从一张新闻照片开始。此后，宇宙线研究多次催生诺贝尔奖成果。从早期高原实验到西藏阿里观测，再到稻城“拉索”，中国科学家一步步追赶，最终在这一前沿领域站到世界前列。

曹臻鼓励同学们走进科学无人区

接住来自宇宙的“粒子阵雨”

当宇宙线进入地球大气层，会与大气原子核发生碰撞，产生多种粒子，这些粒子继续撞击，像滚雪球一样形成一场覆盖数百米的“空气簇射”。“拉索”要做的，就是在地面布下多种探测器，接住这场从天而降的“粒子阵雨”。

“拉索”由四种探测器阵列组成，包括5216个电磁粒子探测器和1188个缪子探测器，总面积7.8万平方米的水切伦科夫探测器阵列，以及由18台望远镜组成的广角切伦科夫望远镜阵列。

埋在土堆下的缪子探测器 图据拉索

曹臻告诉同学们，水切伦科夫探测器是三个屋顶连在一起的大水池，深约4.5米，里面安装了数千个球形光电倍增管。当粒子进入探测器内，产生光电转换，会发出微弱切伦科夫光，被光电倍增管捕捉。

原理听起来简单，实现起来却十分困难：“拉索”使用的20英寸光电倍增管直径约50厘米，而真正负责收集电子的灵敏面积只有指甲盖大小，必须保证从球面任何位置入射的光都能被高效收集，同时保持纳秒级时间测量精度。

光电倍增管 图据拉索

过去，这种大尺寸光电倍增管长期被日本企业垄断。后来，我国科研团队联合企业自主研发出性能更优的国产20英寸光电倍增管，成本大幅降低。不仅摆脱了进口依赖，也为“拉索”顺利运行提供了关键支撑。

“粒子阵雨”中的粒子以接近光速飞行，到达不同探测器的时间差只有纳秒量级。要实现高精度测量，首先要解决“对表”问题。曹臻告诉同学们，“拉索”拥有近万个探测器，分布在超过1平方公里范围，每个探测器都必须保持高度一致的时间基准。团队采用高精度时间同步技术，将时间精度控制在亚纳秒量级，这套系统还有一个可爱的名字——“小白兔”。

1.3平方公里的高海拔宇宙线观测站拉索 图据拉索

打开天文学新窗口

2021年，“拉索”在银河系内发现大量超高能宇宙加速器候选天体，并记录到能量达1.4拍电子伏的伽马光子。这被认为是目前人类观测到的最高能量光子，突破了人类对银河系粒子加速的传统认知，开启了“超高能伽马天文学”时代。

曹臻介绍，面向未来，“拉索”所在的稻城观测站还将继续升级。还将部署36台大型超高能伽马源定点观测设备LACT，计划2028年全面建成。在中微子天文学方向，中国也在布局下一代探测装置。中俄正推动以贝加尔湖为基地的超大型中微子望远镜项目，计划建设约30立方公里的Baikal-HUNT探测装置等。

报告最后，曹臻说，自己长期受到使命感驱动，参与人类对宇宙最深层奥秘的探索。他也希望在聆听报告的青少年中，有人能因此热爱宇宙探索，未来继续解答这些尚未解开的“宇宙之谜”。