2021天府人物推介（56）丨曹臻：在川筑起人類仰望星空的新平臺(tái)，開(kāi)啟“超高能伽馬天文學(xué)”時(shí)代

川觀新聞?dòng)浾?徐莉莎

四川日?qǐng)?bào)全媒體主辦的“追光2021·天府人物”推介活動(dòng)正在進(jìn)行中。中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所推薦國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施高海拔宇宙線觀測(cè)站（LHAASO，簡(jiǎn)稱“拉索”）首席科學(xué)家、高能所研究員曹臻參選。

2022年1月18日，由兩院院士投票評(píng)選的2021年中國(guó)十大科技進(jìn)展新聞在京揭曉。“1400萬(wàn)億電子伏特，中國(guó)科學(xué)家觀測(cè)到迄今最高能量光子”成功入選。

這是一項(xiàng)來(lái)自四川的成果，該成果由曹臻團(tuán)隊(duì)發(fā)表，該發(fā)現(xiàn)依托的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施拉索也由曹臻領(lǐng)銜建設(shè)。

宇宙射線是來(lái)自宇宙深處的高能粒子流，其中能量最高者可達(dá)到現(xiàn)今最大人工加速器所產(chǎn)生粒子能量的千萬(wàn)倍?？茖W(xué)家們?cè)噲D通過(guò)宇宙線的研究，打開(kāi)微觀世界神秘的大門，而事實(shí)上已經(jīng)促成粒子物理學(xué)的誕生和人工加速器的發(fā)展。

30多年來(lái)，曹臻一直從事粒子物理、粒子天體物理研究，長(zhǎng)期在海拔4000米以上為宇宙線觀測(cè)研究而奮斗，向宇宙線起源這一世紀(jì)之謎發(fā)起沖擊。

30年前，他是羊八井宇宙線國(guó)際觀測(cè)站的第一個(gè)值班人員；30年后，他成長(zhǎng)為拉索的首席科學(xué)家，領(lǐng)銜建成了世界上靈敏度最高的同類型宇宙線觀測(cè)站，在伽馬射線天文學(xué)領(lǐng)域獨(dú)占鰲頭。

30年間，他的同門全部離開(kāi)了宇宙線領(lǐng)域；獨(dú)坐冷板凳，他培養(yǎng)出了國(guó)內(nèi)第四代、第五代宇宙線傳人。

客從何處來(lái)？

他牽頭建成拉索，向世紀(jì)謎題邁出重要一步

在稻城縣海拔4410米的海子山上的拉索，是曹臻牽頭打造的人類仰望星空的新平臺(tái)——

從航拍圖上看，占地1.36平方公里的拉索，堪比200個(gè)足球場(chǎng)。它就像一枚外圓內(nèi)方的銅錢，四種探測(cè)器陣列組成的“大圓盤”，日夜嚴(yán)陣以待，捕捉“天外來(lái)客”。

看似靜謐的宇宙中，有許多肉眼無(wú)法看見(jiàn)的粒子在接近光速飛行。其中不少會(huì)從各個(gè)方向穿過(guò)大氣層“光顧”地球。這些“沉默不語(yǔ)”的“客人”是來(lái)自外太空的唯一物質(zhì)樣品，被稱為“宇宙信使”。

“客”從何處來(lái)？極小的粒子為何會(huì)帶有超高的能量？它們的產(chǎn)生和超新星爆發(fā)、黑洞爆發(fā)有什么關(guān)系？……自1912年宇宙線被發(fā)現(xiàn)之后，一百年間，盡管與之相關(guān)的探索與研究已經(jīng)產(chǎn)生了數(shù)枚諾貝爾獎(jiǎng)牌，人類還是始終沒(méi)有發(fā)現(xiàn)宇宙線的起源。

過(guò)去幾十年來(lái)，人類的探測(cè)手段已經(jīng)遍及從南極冰層之下3000米深處的中微子探測(cè)器，到位于世界屋脊之上的西藏羊八井的大型地面探測(cè)裝置，乃至遨游太空的“悟空”探測(cè)器和國(guó)際空間站上的AMS02探測(cè)器，人類正在以空前的熱情和投入規(guī)模，逼近這一世紀(jì)之謎的謎底。

各類“宇宙信使”無(wú)時(shí)無(wú)刻光顧著地球，拉索的“火眼金睛”就是針對(duì)挑出其中的高能光子而設(shè)計(jì)的。利用光沿直線傳播的原理，反推其來(lái)源和加速機(jī)制。

曹臻是這個(gè)項(xiàng)目的首席科學(xué)家。2021年5月，他帶著重磅研究成果將拉索帶入人們的視野中。他對(duì)外宣布：在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)大量超高能宇宙加速器，發(fā)現(xiàn)了人類觀測(cè)到的最高能量光子。

這不僅讓過(guò)去20年緩慢前行的宇宙線研究上了一個(gè)臺(tái)階，開(kāi)啟了“超高能伽馬天文學(xué)”的時(shí)代，還顛覆了人們的認(rèn)知：原以為溫和、中庸的銀河系，也有伴隨超高能光子輻射的劇烈活動(dòng)，原來(lái)都認(rèn)為這么高能量的光子都只產(chǎn)生于更加活躍的遙遠(yuǎn)星系。

“拉索收到天鵝座的來(lái)信！”“改變?nèi)祟悓?duì)銀河系的認(rèn)知！”這一次，拉索徹底出圈，引發(fā)全民對(duì)宇宙線的關(guān)注。

這一發(fā)現(xiàn)也讓曾質(zhì)疑過(guò)拉索的Felix Aharonian心服口服，他大膽預(yù)測(cè)，拉索的首次報(bào)告才只是冰山一角。在未來(lái)至少十年的時(shí)間里，拉索將在伽馬射線天文學(xué)領(lǐng)域鰲頭獨(dú)占，并在該領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展中發(fā)揮主要作用。

僅僅兩個(gè)月后，拉索在《科學(xué)》雜志發(fā)文，再度公布重磅成果。循著前述觀測(cè)成果，拉索對(duì)其中一個(gè)超高能宇宙加速器——蟹狀星云進(jìn)行了研究，對(duì)其超高能區(qū)進(jìn)行了精確測(cè)量，為該能區(qū)標(biāo)準(zhǔn)燭光設(shè)定了亮度標(biāo)準(zhǔn)。其發(fā)現(xiàn)被視為發(fā)現(xiàn)“挑戰(zhàn)了高能天體物理中電子加速的‘標(biāo)準(zhǔn)模型’”。

最近，美國(guó)國(guó)家科學(xué)院、工程院和醫(yī)學(xué)院發(fā)布了其最新的10年調(diào)查結(jié)果，概述了未來(lái)10年天文學(xué)界的科學(xué)目標(biāo)，其中多次提及拉索作為該領(lǐng)域領(lǐng)先的項(xiàng)目，將決定本領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展方向。

該報(bào)告提到的3個(gè)這種級(jí)別項(xiàng)目中，只有“拉索”已進(jìn)入工作狀態(tài)，“拉索”也被Felix Aharonian稱為“正在運(yùn)行的‘未來(lái)探測(cè)器’”。

拉索的成果，僅僅是幸運(yùn)？

“拉索運(yùn)氣很好！”曹臻從不回避談?wù)撊〉眠@些成果的偶然性。

他曾經(jīng)和《科學(xué)》雜志的編輯說(shuō)，“我們有最好的探測(cè)器，因此有最好的發(fā)現(xiàn)?！?/p>

對(duì)方反駁，“我承認(rèn)你們有最好的探測(cè)器，這沒(méi)有爭(zhēng)議，但有沒(méi)有好的發(fā)現(xiàn)，可不是你們說(shuō)了算?！痹谀贸隼鞯慕ㄔO(shè)方案時(shí)，國(guó)際上也有科學(xué)家提出質(zhì)疑，“你們?cè)O(shè)計(jì)的探測(cè)器能力是很強(qiáng)，但會(huì)不會(huì)造出來(lái)啥都看不到，白花錢？”

某種程度上來(lái)說(shuō)，有沒(méi)有高能量的光子落在“圓盤”上，這是老天爺說(shuō)了算。但科研成果的產(chǎn)生，是偶然與必然的螺旋交錯(cuò)上升的結(jié)果。

為什么拉索可以在短時(shí)間內(nèi)捕捉到迄今為止人類觀測(cè)到的最高能量光子？偶然之外，還有必然。

2021年10月中旬，川觀新聞?dòng)浾邅?lái)到海子山上。氣溫已經(jīng)降到了零攝氏度附近，中科院高能所的研究人員們，每天穿梭在這片布滿了大小不一的花崗巖漂礫及形態(tài)各異的冰蝕巖盆的荒原上，檢查一臺(tái)臺(tái)覆蓋有綠色罩布的電磁粒子探測(cè)器。

這是過(guò)去4年里曹臻待的地方。頭戴白色安全帽，棉服外套一件藍(lán)色LHAASO馬夾，橢圓的眼鏡片外，再夾上墨鏡片。大家口中的“曹總”總是這副裝扮出現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)。

“眼睛在天堂，身體在地獄?！痹诤０?410米的海子山上作業(yè)，怎么都說(shuō)不上美差。高原氣候瞬息萬(wàn)變，降水超常的雨季和早至的嚴(yán)冬低溫、暴雪等極端天氣，極易引起工程延誤。

但高海拔又是刨除大氣層干擾，“捕捉”宇宙線的絕佳場(chǎng)所。

冒著嚴(yán)寒克服枯水季缺水的困難，曹臻帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)通宵達(dá)旦地投入工作，承受著心理壓力和體能考驗(yàn)，確保按計(jì)劃為探測(cè)器陣列注入幾十萬(wàn)噸純凈水，順利實(shí)現(xiàn)工程預(yù)定進(jìn)度。

海子山上地貌復(fù)雜，冰川活動(dòng)產(chǎn)生了大量巨大漂礫?？紤]到土建工程的難度，團(tuán)隊(duì)曾放棄了陣列核心區(qū)域局部范圍的繆子探測(cè)器修建。但隨著一半陣列的科學(xué)運(yùn)行和相關(guān)物理分析的逐漸深入，曹臻意識(shí)到缺失的陣列面積不大，但影響不小。

為了填補(bǔ)陣列設(shè)計(jì)之初的空白，曹臻挑戰(zhàn)不可能。他帶領(lǐng)施工建設(shè)團(tuán)隊(duì)在工程現(xiàn)場(chǎng)勘察，幾易施工方案，最終在不適宜建造探測(cè)器的冰積隴上，完成探測(cè)器的建設(shè)。

曹臻的另一個(gè)關(guān)鍵決策也影響甚深。為了早出成果，他們提出了“邊建設(shè)，邊局部陣列運(yùn)行”的思路。在不影響工程竣工節(jié)點(diǎn)的情況下，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)利用冬季工程建設(shè)的間歇，安排好拉索部分陣列的科學(xué)運(yùn)行。

這背后，需要科學(xué)的調(diào)度和嚴(yán)密的配合。最近，有系統(tǒng)負(fù)責(zé)人撰文回憶，正月初七他就已經(jīng)在稻城現(xiàn)場(chǎng)，等待團(tuán)隊(duì)人員到場(chǎng)干活。正是在這種緊鑼密鼓的節(jié)奏下，2019年冬歇前，拉索1/2陣列率先投入運(yùn)行。

身體上的困難可以克服，最怕的是缺資金。2020年初，突如其來(lái)的新冠肺炎疫情把團(tuán)隊(duì)打得措手不及。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)一度面臨資金短缺。3月，短缺到達(dá)頂峰，已經(jīng)簽好的合同，都付不出錢。

曹臻帶著團(tuán)隊(duì)到處找出路，積極爭(zhēng)取上級(jí)主管部門和承擔(dān)單位的支持，協(xié)調(diào)了科學(xué)院5000萬(wàn)元的配套資金。他們及時(shí)調(diào)整工程建設(shè)的節(jié)奏，妥善管理工程進(jìn)度，在各參建方的支持和努力下，最終度過(guò)難關(guān)。

2021年，拉索項(xiàng)目按期、全面完成了國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)批復(fù)的各項(xiàng)建設(shè)任務(wù)。同時(shí)，投入運(yùn)行的1/2陣列取得了突破性成果。

拉索計(jì)劃在2009年提出，2015年成功立項(xiàng)，2017年動(dòng)工，2021年7月正式建成，這在以10年為尺度的大科學(xué)裝置建設(shè)中，堪稱“神速”。

這是外國(guó)科學(xué)家想都不敢想的速度。歐洲人在世紀(jì)初提出的CTA計(jì)劃，要耗資2億歐元建至少100臺(tái)望遠(yuǎn)鏡，十幾年過(guò)去迄今只建成一臺(tái)。

在這幾年中，他與四川感情篤深。在過(guò)去拉索建設(shè)的四年多時(shí)間里，他頻繁往來(lái)于北京-成都-稻城。

拉索全陣列投入科學(xué)運(yùn)行后，曹臻便開(kāi)始忙于項(xiàng)目驗(yàn)收和四川天府新區(qū)宇宙線研究中心的建設(shè)。這里未來(lái)會(huì)成為拉索的“大本營(yíng)”，也是國(guó)內(nèi)外宇宙線研究交流的高地。

毫無(wú)疑問(wèn)，因?yàn)槔?，因?yàn)椴苷楹退耐聜?，四川正逐漸成為宇宙線這一前沿領(lǐng)域的熱土。

中國(guó)宇宙線研究險(xiǎn)些斷代，他挑起了第三代傳人的重?fù)?dān)

“30多年，就做宇宙線這么一件事。走在這條路上孤獨(dú)嗎？”記者問(wèn)。

“不存在這個(gè)問(wèn)題，你做任何一件事情其實(shí)都是孤獨(dú)的?！毕袼＝邮懿稍L一樣，回答明確而堅(jiān)定。

但說(shuō)起宇宙線研究的傳承時(shí)，他話鋒轉(zhuǎn)了?！澳阏f(shuō)孤不孤獨(dú)，可能這也算孤獨(dú)?！?/p>

這種孤獨(dú)不來(lái)自他所仰望的寂靜遼遠(yuǎn)的深空，也不是高海拔荒原上的刺骨冷風(fēng)，是從同行者眾到“走到只剩我一個(gè)”。

盡管宇宙線不是他最初的興趣，但放眼中國(guó)宇宙線研究歷程，沒(méi)有曹臻，也許這個(gè)領(lǐng)域研究會(huì)更曲折。

新中國(guó)成立初期，王淦昌、張文裕、何澤慧、肖健等科學(xué)家回國(guó)，就開(kāi)啟了中國(guó)宇宙線觀測(cè)研究。他們?cè)诶ッ鳀|川一座3200米的山峰上建設(shè)了中國(guó)第一個(gè)宇宙線實(shí)驗(yàn)室——落雪站。

改革開(kāi)放后，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員譚有恒到日本留學(xué)。日本先進(jìn)的綜合性空氣簇射陣列讓他產(chǎn)生了在中國(guó)做類似實(shí)驗(yàn)的想法?；貒?guó)后，他積極申請(qǐng)經(jīng)費(fèi)，希望在中國(guó)建設(shè)世界級(jí)宇宙線觀測(cè)基地。

20世紀(jì)80年代中期，中國(guó)開(kāi)始有機(jī)會(huì)跟世界上最好的研究團(tuán)隊(duì)合作。正是在這時(shí)候，曹臻偶然踏入了宇宙線領(lǐng)域，成為譚有恒的碩士研究生。

少年時(shí)受中學(xué)物理老師的影響，物理學(xué)的種子在曹臻心中生根發(fā)芽。上世紀(jì)80年代末，他立志考研進(jìn)入中科院高能物理研究粒子物理研究團(tuán)隊(duì)。

研究生是考上了，但曹臻被告知，“團(tuán)隊(duì)已招滿，可以推薦到做宇宙線的團(tuán)隊(duì)”。他來(lái)到宇宙線團(tuán)隊(duì)，師從第二代宇宙線研究科學(xué)家霍安祥、丁林塏和譚有恒。

1989年，譚有恒等人提出在西藏建立第一代伽馬天文探測(cè)器。3年后，曹臻成為羊八井宇宙線國(guó)際觀測(cè)站的第一個(gè)值班人員。

但是，曹臻沒(méi)有忘記魂?duì)繅?mèng)縈的粒子物理。1994年，他來(lái)到美國(guó)俄勒岡大學(xué)物理系做博士后研究助理，選擇了重離子物理的理論研究。

兩相對(duì)比之下，他才發(fā)現(xiàn)自己的興趣還是在現(xiàn)場(chǎng)?！坝绕涫亲龅搅Ｗ游锢淼暮笃?，理論已經(jīng)相當(dāng)成熟，探索性相對(duì)弱一些。還是覺(jué)得做實(shí)驗(yàn)更加接近物理的世界。”他喜歡戶外運(yùn)動(dòng)，而研究宇宙線往往都往人跡罕至、最偏僻的地方去。

某種意義上來(lái)說(shuō)，他是幸運(yùn)的科學(xué)家。當(dāng)他想要回到宇宙線的跑道時(shí)，恰好有一個(gè)機(jī)會(huì)出現(xiàn)。曹臻來(lái)到猶他大學(xué)物理系做博后，主要從事超高能宇宙線HiRes實(shí)驗(yàn)研究。在這里，他接受了前沿、系統(tǒng)的訓(xùn)練。

而這期間，國(guó)內(nèi)的研究團(tuán)隊(duì)和環(huán)境發(fā)生了巨大的變化。10年間，曹臻清晰地感知到，美國(guó)投入基礎(chǔ)研究的經(jīng)費(fèi)開(kāi)始下降，而國(guó)內(nèi)的環(huán)境正在升溫，經(jīng)費(fèi)呈上升勢(shì)頭。“要干科學(xué)這個(gè)事情，回國(guó)的機(jī)會(huì)會(huì)多得多?！?/p>

同時(shí)，國(guó)內(nèi)宇宙線研究又面臨著斷代的危機(jī)。

在他讀研的年代里，高能所就兩位老師能帶博士。他的導(dǎo)師霍安祥先生名下8名博士，全部離開(kāi)了國(guó)內(nèi)宇宙線領(lǐng)域。霍先生的學(xué)生中，曹臻是唯一一個(gè)留下來(lái)繼續(xù)做宇宙線研究的，他成了“獨(dú)苗”。

2001年前后，他的副導(dǎo)師丁林塏先生曾非常憂慮，中國(guó)宇宙線研究險(xiǎn)些斷代。

幾經(jīng)考慮，曹臻決定——回國(guó)。2004年，他回到高能所任博導(dǎo)，成為我國(guó)研究宇宙線第三代人的主力。他出任中意合作ARGO‐YBJ實(shí)驗(yàn)中方發(fā)言人，擔(dān)任多項(xiàng)基金委重大國(guó)際合作項(xiàng)目、重點(diǎn)項(xiàng)目和973項(xiàng)目負(fù)責(zé)人。

如今，這條路上的同行者越來(lái)越多。曹臻做過(guò)統(tǒng)計(jì)，十幾年來(lái)，他已經(jīng)培養(yǎng)了十多個(gè)博士生，也為西南交通大學(xué)等代培了不少宇宙線研究者。而這些人，成為主導(dǎo)拉索建設(shè)和研究的主力。

曹臻熱衷做科普。2021年底，他做過(guò)一個(gè)統(tǒng)計(jì)。在這一年中，他曾有30多次站在話筒前?！鞍凑彰磕?2周計(jì)算，每?jī)芍芫褪且淮?。”這無(wú)疑會(huì)占用部分科研的時(shí)間，但是他把這看成是播種。一方面讓宇宙線物理在更多青少年心中生根發(fā)芽，也讓拉索可以和更多領(lǐng)域結(jié)合。

在高能物理領(lǐng)域的研究，是以10年為尺度的。10年立項(xiàng)，10年建設(shè)，10年研究分析。從美國(guó)回來(lái)時(shí)，他只知道要做宇宙線物理，但從沒(méi)想過(guò)能做這么巨大的項(xiàng)目，打開(kāi)這樣廣闊天地。更沒(méi)有想過(guò)，有這么多的超高能光子短時(shí)間內(nèi)就落在拉索上。

拉索也需要更進(jìn)一步。曹臻說(shuō)，拉索在發(fā)現(xiàn)超高能伽馬射線源后，也顯現(xiàn)了自己的不足。下一步還需要加強(qiáng)和改進(jìn)。

“退休前，你想做到哪一步？”記者問(wèn)。

“該退就退”，電話那頭，沒(méi)有記者想象中的執(zhí)念，語(yǔ)氣格外灑脫?！耙粋€(gè)人的精力和生命是有限的。即使發(fā)現(xiàn)了宇宙線的起源，也會(huì)有新的科學(xué)問(wèn)題不斷冒出來(lái)?！?/p>

“推動(dòng)宇宙線發(fā)展，是整個(gè)領(lǐng)域的事，建成拉索也不是我一個(gè)人的功勞。這（退休）是一個(gè)正常的過(guò)程，最重要的是，我們做好了鋪墊，這個(gè)事兒現(xiàn)在有人接著干下去，中國(guó)宇宙線物理研究，有了第四代、第五代科學(xué)家傳承下去?！?/p>

（中科院高能所供圖）

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