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    2. 面向世界科技前沿,面向國家重大需求,面向國民經濟主戰場,率先實現科學技術跨越發展,率先建成國家創新人才高地,率先建成國家高水平科技智庫,率先建設國際一流科研機構。

      ——中國科學院辦院方針

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      曹臻:以實力證明中國方案

      2022-06-17 中國科學報 倪思潔
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      語音播報

      曹臻 受訪者供圖

        不到兩個月,在《自然》《科學》連發兩個成果,并迅速沖上全球科技期刊論文熱搜榜前1%……幾乎一夜之間,高海拔宇宙線觀測站(LHAASO)成為國際科研領域的大熱門。

        在此之前,作為全球宇宙線觀測方案之一,LHAASO不僅很少被國際同行重視,還被一些人質疑。

        從最初遭“冷言”到之后被“熱捧”,這一轉變的背后有一位關鍵人物——LHAASO首席科學家、中國科學院高能物理研究所(以下簡稱高能所)研究員曹臻。前不久,曹臻被評為成都市“最美科技工作者”。

        起點

        從云南大學本科畢業后,曹臻進入高能所攻讀碩士學位,師從研究員譚有恒。

        譚有恒是繼王淦昌、張文裕、何澤慧、肖健等科學家之后,我國的第二代宇宙線研究人員。他曾到日本留學,回國后就致力于為我國建設世界級宇宙線觀測基地。

        師從譚有恒,意味著曹臻要做實驗物理研究。心心念念想做理論物理研究的曹臻,一邊接受著實驗物理的訓練,一邊倔強地給自己選了一堆理論物理的課程。

        不久后,譚有恒遞給曹臻一張手繪草圖?!拔覀內グ阉龀鰜??!弊T有恒說。

        草圖是譚有恒在參與國際同行討論時畫出來的,畫的是可以用在探測宇宙超高能光子的陣列中的繆子探測器。

        1986年,曹臻和他的同學們跟著譚有恒來到北京懷柔一小片桃園里(現中國科學院大學校園內),用56臺樣機嘗試搭建我國自己的宇宙線觀測陣列。

        就在此時,大洋彼岸的美國科學家也在猶他州的廣袤干旱沙漠性谷地上,開啟了尋找宇宙超高能光子的計劃。

        曹臻回憶道:“我當時就像盜墓人一樣,和民工一起掘地三米,用來放探測器?!?/p>

        遺憾的是,懷柔桃園里的小型繆子探測器樣機實驗因為防水沒做好,以失敗告終。而猶他州沙漠中的實驗卻變成了宇宙線研究領域一度享有盛名的卡薩米亞(CASA-MIA)實驗。

        盡管最初的嘗試失敗了,那段經歷卻讓曹臻看到了實驗物理的魅力?!傲钊酥?。一旦做進去了之后,就會覺得這個東西非常有趣?!辈苷檎f。

        這次失敗也沒有讓譚有恒氣餒。最終,他聯合日本、意大利科學家,發起“西藏計劃”并建成了羊八井宇宙線觀測站。

        高山

        1992年,曹臻成為羊八井宇宙線觀測站的第一位值班人員。在海拔4300米的羊八井,大自然以最不動聲色的方式,給他狠狠地上了一課。

        “缺氧、暈厥、失眠。我一輩子都會在高山上,但這第一次就把我‘放翻’了,讓我知道了高山的厲害?!辈苷檎f。

        對于宇宙線研究者來說,他們除了要爬現實中的高山外,還要和所有科學家一樣,攀爬科學的高峰。

        1994年,依然對理論物理研究念念不忘的曹臻博士畢業。這時,一直沒有跟風出國的他,還是決定去國際前沿的物理研究實驗室看一看。他前往美國俄勒岡大學物理系,以研究助理的身份開展理論物理研究。

        三年半后,他如夢初醒般地發現,自己的心早已被宇宙線實驗物理牽走。

        于是,他前往猶他大學,參與了當時國際最大的宇宙線實驗之一 ——HiRes的實驗研究。他做的第一個課題就是分析HiRes與同在猶他州的CASA-MIA實驗的聯合觀測數據。

        那段時間,曹臻不僅發現了宇宙線能譜第二膝現象,還參與了一項重要發現——宇宙線能譜在十萬拍電子伏特處存在“GZK截斷”現象,那是宇宙線穿越宇宙大爆炸遺留的“迷霧”(微波背景輻射)后,到達地球時的最高能量。穿過“迷霧”的光子,能夠到達地球的最高能量應該在1拍電子伏特左右。

        然而,現實卻是,人類目前測到的最高能量光子在0.1拍電子伏特以下?!懊髅鬟€有10倍的空間,為啥就會有這個‘極限’呢?”曹臻心里納悶。

        “宇宙這么復雜,開展實驗探索之前你是不知道的?!辈苷閷⒃驓w結為探測手段有局限。像所有實驗物理學家一樣,他開始盼望著能有一個更高性能的探測設備,幫助人類沖破極限,看清宇宙。

        對手

        2003年,盡管猶他大學向曹臻提供了副教授職位,旅美近十年的曹臻還是選擇回到久別的高能所、羊八井?;貒?,曹臻成為羊八井的中意合作ARGO-YBJ實驗的中方負責人。在他的領導下,羊八井中意實驗建成全覆蓋式大型空氣簇射陣列,并產出系列科研成果。

        2008年,曹臻接到高能所通知:“國家在開展‘十二五’規劃,你們可以考慮提一個大的宇宙線項目?!?/p>

        十多年積累的想法,頓時在曹臻的腦海里翻涌起來。

        冷靜下來后,曹臻帶領團隊篩選出當時最具可行性的想法——將地面粒子探測與望遠鏡探測手段結合,實現多能區覆蓋。之后,他們又在方案中增加了水切倫科夫探測器,以使整個項目同時覆蓋高、中、低三個能區。這一想法最終變成了高海拔宇宙線觀測研究的中國方案——LHAASO。

        “能探測到的粒子能量越高,發現新現象的可能性也就越大?!辈苷楦嬖V《中國科學報》。

        此時,他面臨著兩個強勁的國際競爭對手。歐洲科學家提出建設由100多臺望遠鏡組成的切倫科夫望遠鏡陣列(CTA)計劃;美國科學家則提出了高海拔水切倫科夫觀測計劃(HAWC)。

        2009年,當曹臻第一次在國際會議上分享LHAASO計劃時,國際同行的目光都聚焦在歐洲和美國的計劃上。

        不僅如此,還有一些人質疑LHAASO:“0.1拍電子伏特就是極限,你們花這么多錢建這個東西,沒準兒將來什么也看不見?!?/p>

        方案

        面對質疑和冷言,曹臻心里憋著一股勁:“中國方案必須靠實力來證明自己?!?/p>

        在國內同行的共同努力下,LHAASO方案越做越細。他們與地方政府反復溝通,把LHAASO定在了四川稻城海拔4410米的海子山上,并計劃在那里建100萬平方米探測陣列、9萬平方米伽馬射線巡天望遠鏡、24臺廣角切倫科夫望遠鏡和0.5萬平方米芯探測器陣列。

        這個方案是在充分考慮工程建設環境的條件下設計出的。高原瞬息萬變的氣候、海子山布滿巨大漂礫的復雜地貌,讓他們在最初設計時放棄了陣列核心區域局部范圍的繆子探測器。

        隨著一半陣列的科學運行和相關物理分析的逐漸深入,曹臻意識到,缺失的陣列面積雖然不大,但影響不小。他便帶領施工建設團隊,在工程現場勘察,幾易施工方案,在冰積隴上補齊了缺失的陣列。

        高原冬季寒冷,混凝土施工無法進行,曹臻等人便提出“邊建設,邊局部陣列運行”的思路。這也意味著作為項目經理和首席科學家的曹臻要做大量的調度和協調工作。

        那段時間,曹臻經常通宵達旦地工作,因為不放心工程現場,他高頻次往返成都、稻城。在現場協調各項工作時,他和學生、工人們一起安裝、調試。

        這些辛苦,曹臻很少公開說?!斑@不是我應該做的事嗎?”曹臻聳聳肩。

        孩子

        2021年5月17日,LHAASO國際合作組在《自然》發表成果。他們在銀河系內發現大量超高能宇宙加速器,推翻了曾經廣為認可的“能量截斷”,由此開啟“超高能伽馬天文學”時代。

        不到兩個月,他們又在《科學》上發表成果,精確測量高能天文學標準燭光的亮度,挑戰高能天體物理中電子加速的“標準模型”。

        兩次發布會上,曹臻都是發言人。他樂呵呵的大嗓門,讓人很難把年近60歲的他與“花甲之年”這種詞聯系在一起。

        這些成果讓國際同行震驚。曾質疑過LHAASO的科學家,紛紛向曹臻申請開展國際合作。國際科技期刊上也隨之大量出現超高能伽馬射線的研究,只要涉及超高能宇宙伽馬射線研究,必提LHAASO。隨著疫情消退,各種系列研究大會、研討會紛紛重啟,對LHAASO的各種邀請紛至沓來。

        2021年7月,LHAASO完成全陣列建設并投入運行。而此時,曾被認為是高能伽馬射線天文學大熱門的CTA計劃,只建成了1臺望遠鏡;美國HAWC計劃,探測器性能遠不及LHAASO。

        “除了中國,其他地方都不可能如此迅速地實現LHAASO計劃?!辈苷檎f,光是LHAASO基建工程量就足以讓歐美國家望而卻步。

        對待LHAASO,曹臻就像對待自己的孩子一樣,不管它有多成功,他總是不放心。隔三差五,他就“上山轉轉”,看看數據運行情況好不好、線纜有沒有松、裝著探測器的水池外殼有沒有壞……

        作為中國第三代宇宙線研究者,即將到退休年齡的曹臻,也已經把LHAASO和從LHAASO成長起來的第四代、第五代宇宙線研究者的未來安排得明明白白。

        按照他的籌劃,望遠鏡陣列團隊未來可以在LHAASO上再建32臺望遠鏡,讓LHAASO有能力識別超高能宇宙線的發射位置,進一步逼近最終的答案;地面粒子探測器陣列團隊,未來可以通過國際合作,去南半球建一個比LHAASO大4倍的觀測站,覆蓋與LHAASO不同的天區;水切倫科夫探測器團隊未來可以建一個在湖底或海底的探測器陣列……

        “未來的幾十年,中國宇宙線研究團隊都有活兒干?!辈苷橛忠淮巫孕哦实匦Φ?,“該退休的時候我就退休?!?/p>

       ?。ㄔd于《中國科學報》 2022-06-17 第1版 要聞)
      打印 責任編輯:閻芳
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