
在海拔4410米的海子山上,高海拔宇宙线观测站“拉索”不断把人类的视线推向更遥远的宇宙。在推动建设这座超高能伽马射线探测装置的众人中,有一个始终不愿轻易退后的身影——中国科学院院士、“拉索”首席科学家、中国科学院高能物理研究所研究员曹臻。
曹臻常说,自己脑子里好像缺少“放弃”这个选项。他曾和儿子一起攀登美国大盆地国家公园的惠勒峰,距山顶只剩几十米时,父子俩每走一步都要停下来喘气,最终还是决定掉头下山。
“往回走是很舒服的状态,可我也因此没能登顶。”多年后回想这次经历,曹臻依然感到遗憾。做科研时,他常用这件小事勉励自己:面对困难,退一步很容易,但可能就此与重要发现失之交臂。
认准方向,再往前一步
上世纪80年代,曹臻开始做缪子探测器研究。赴美学习、工作期间,他接触了不同的实验装置和技术路线。其中,美国实验粒子物理学家、诺贝尔奖得主詹姆斯·克罗宁主持的CASA-MIA实验,给他留下深刻印象。
1983年,一个德国实验室宣称探测到了来自天鹅座X-3方向、能量高达1千万亿电子伏特的超高能光子信号。克罗宁随后在美国犹他州建设CASA-MIA实验“蹲守”天鹅座X-3,但实验运行多年,始终没有捕获预期信号。天鹅座X-3究竟能否发出超高能量光子,成了每一代高能天体物理学家心中的“悬案”。
从CASA-MIA吸取经验,设计“拉索”时,曹臻把缪子探测器的有效面积从1%提高到4%,整个阵列面积也扩大了约4倍,以增强辨识光子的能力,提升其探测能力。更大的探测面积意味着更重的工程负担,但为了提高探测能力,他仍决定向前迈一步。
另一场考验发生在“拉索”核心装置之一大气切伦科夫望远镜临近生产时。此时,硅光电倍增管技术日渐成熟。相比团队原计划采用的传统光电倍增管,硅光电倍增管体积更小、成本更低,而且不怕强光。望远镜因此可在满月条件下工作,观测时间理论上可增加两到三倍。
对重大科学装置而言,临近生产再改技术路线,无疑意味着风险。但曹臻不愿为了稳妥而错失更好的方案。“高性价比的新技术已经出现了,必须努力争取一下。”经过调整,原先只能建设12台的经费,最终建成了18台性能更佳的望远镜。
曹臻不认为自己是一个爱冒险的人。他看重的是对技术的理解和判断,“确认方向值得走,就要把每一步走扎实,不轻言放弃”。
运气留给有准备的人
2023年,“拉索”观测到天鹅座方向有一个巨型超高能伽马射线泡。2026年进一步发现,位于其中心处反射出的光子信号呈现4.8小时的周期变化。曹臻立刻想起40多年前让克罗宁铩羽而归的“悬案”:产生超高能光子的“嫌犯”,很可能就藏在天鹅座X-3这个黑洞双星系统中。
“2023年前,我们只能把‘嫌犯’定位到光年量级的泡泡里;如今,‘拉索’能帮助科学家将范围缩小到3个太阳半径之内。”曹臻说,“就好像在一个偌大的城市里,我们已经锁定到一间房间。”
但曹臻并未宣布“悬案告破”。按照1983年的观测能力,如果当时信号确实来自天鹅座X-3,说明它曾发生过一次比今天强千倍的爆发。这样的事件是否真的发生过,还需要更多观测来回答。
科学发现有多少来自偶然?曹臻并不回避“运气”。位于西班牙的神奇伽马射线望远镜MAGIC专门设计实验捕捉伽马射线暴,连续多年没有结果。
2021年,一次极亮的伽马射线暴发生时,却恰好落进了“拉索”的视场。当时“拉索”尚在初步运行阶段,便在银河系内发现大量超高能宇宙加速器,记录到当时人类观测到的最高能量光子,开启了“超高能伽马天文学”。
“成事在天,但谋事在人。”曹臻说,“运气也是能力提升带来的,只留给有准备的人。”“拉索”取得一连串重要发现后,团队仍在为下一次机会做准备:推进大型超高能伽马源立体跟踪装置(LACT)和高能水下中微子望远镜(HUNT)研究,并探索建设南半球更大规模的宇宙线观测设施。
与此同时,“拉索”的数据向全球研究者开放,已有33家单位加入合作组。曹臻欣喜地表示,当年负责“拉索”各分项目的研究者,如今都开始探索自己的课题。“一代装置培养一代人,一代人再去建设下一代装置。这就是传承,就是繁荣。”
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