宇宙，这片浩瀚无垠的“战场”，每时每刻都有无数高能粒子如炮弹般从深空轰向地球。科学家将这些来自宇宙的“信使”命名为宇宙线，它们携带着宇宙诞生与演化的核心密码，却也因行踪诡秘、能量极高，成为困扰人类百年的科学谜题。而在四川稻城海子山——这片平均海拔4410米的高原之上，我国大科学装置“高海拔宇宙线观测站”(LHAASO，昵称“拉索”)正静静伫立，以世界海拔最高的宇宙射线探测阵列之姿，成为人类凝视宇宙极端物理现象的“千里眼”。
21世纪以来，全球科学研究正从“小作坊”模式迈入“大科学”工程的全新阶段。中国在这一浪潮中厚积薄发，一批国之重器相继问世：“中国天眼”FAST聆听深空的电磁波回响，“阿里计划”紧盯原初引力波的踪迹，“人造太阳”EAST攻关可控核聚变能源，“高能同步辐射光源”解析物质微观结构……而“拉索”，则以捕捉超高能宇宙线为使命，在高原之巅书写着属于中国的天文传奇。腾讯新闻推出的《20问中国20大科学重器》大型特别策划中，便邀请科学家为公众权威解读这一“宇宙捕手”的非凡实力。
为何要将如此精密的科学装置安放在4410米的高海拔地带?这背后藏着最关键的物理原理。宇宙线进入地球大气层后，会与大气原子核发生剧烈碰撞，像烟花绽放般产生大量次级粒子，形成覆盖数平方公里的“粒子雪崩”——这就是广延大气簇射(EAS)。这一过程有个关键节点：粒子数量会随大气深度增加升至峰值，即“簇射极大值”，越过峰值后便会因能量损失而指数衰减。
对“拉索”重点探测的TeV-PeV能区伽马光子和宇宙线而言，4400米的海拔恰是“黄金位置”——探测器正好位于或紧邻多数重要簇射的极大值区域。在这里，次级粒子通量达到顶峰，能为科研人员提供最完整、最丰富的粒子信息样本，从而更精准地反推原初宇宙线的能量、方向与成分。要知道，人类目前无法直接在太空捕捉极高能原初宇宙线，卫星实验也受限于载荷和探测面积，只能覆盖低能量区域，因此地面高海拔间接探测，成为研究超高能宇宙线的核心手段。“高不成低不就，4400米刚刚好”，这句科研人员的调侃，恰恰道出了“拉索”选址的科学精妙。
作为一款复合型探测“神器”，“拉索”的阵容堪称豪华：平方公里级电磁粒子和缪子探测器阵列(KM2A)、水切伦科夫探测器阵列(WCDA)、广角切伦科夫望远镜(WFCTA)协同工作，覆盖约1.3平方公里的探测范围，如同一个全天候运转的“宇宙监控摄像头”，专门捕捉那些能量超乎想象的宇宙线信号。也正是这份独特设计，让“拉索”成为全球寻找“拍电子伏”级加速源的核心装置，更被美国列为伽马射线和宇宙线研究领域的国际领先实验设备。
自建成运行以来，“拉索”的成果产出速度令人惊叹，堪比当年的日本神冈探测器。就在近期召开的成果新闻发布会上，两项重磅发现更是震动全球科学界：其一，银河系内由黑洞吸积驱动的微类星体，竟是一个个“超级粒子加速器”，能将质子加速到拍电子伏级别;其二，宇宙线质子能谱“膝”区出现了比预想更强的高能成分，而黑洞极有可能是这一现象的“幕后推手”。这些发现不仅让人类离宇宙线起源之谜更近一步，更为研究黑洞系统的极端物理现象打开了全新窗口。
事实上，这只是“拉索”众多突破中的冰山一角。它曾一次性发现12个“拍电子伏”级超高能伽马射线源——要知道，1拍电子伏等于1000万亿电子伏，比人类最强大的大型强子撞机(LHC)产生的粒子最高能量还要高出100倍以上。在此之前，科学界普遍认为银河系内天体加速粒子的能量极限低于1拍电子伏，即“拍电子伏截断”理论。而“拉索”的发现直接打破这一认知，正式开启了“超高能伽马天文学”的新纪元，证明银河系内就存在天然的“超级加速器”，其效率远超人类建造的任何设备。
在捕捉极端宇宙事件方面，“拉索”的灵敏度和响应速度同样无可挑剔。2022年10月9日，被戏称为“有史以来最亮”的伽马射线暴(BOAT)被全球多个望远镜捕捉，“拉索”成功捕获到此次事件中能量高达10 TeV(万亿电子伏特)以上的光子。这些高能光子携带的，正是伽马射线暴源头(大概率是大质量恒星坍缩成黑洞的瞬间)的极端物理过程信息，为人类理解宇宙中最剧烈的爆发现象立下汗马功劳。
3.精确测量了“天鹅座”区域的超高能伽马射线源
“拉索”还以空前的精度，绘制出银河系重要恒星形成区——天鹅座区域的超高能伽马射线分布图。这张如同“藏宝图”的分布图，清晰标注出该区域内超级加速器的具体位置和强度，为锁定宇宙线的具体起源地提供了关键线索。值得一提的是，这些宇宙线让不少人联想到刘慈欣《三体》中描绘的“光粒”——这种近光速运动的有质量粒子武器，或许正是作者借鉴现实中宇宙线概念的创作成果。而目前人类已探测到两颗超高能粒子，其中1991年发现的“哦我的上帝粒子”(Oh-My-God particle)能量高达320EeV(3.2万亿亿电子伏特)，2021年望远镜阵列项目探测到的粒子能量也达到240EeV，它们的能量均是LHC的千万倍级别，其起源至今仍是待解之谜。
从发表在《Physical Review Letters》上关于原初黑洞的研究，到不断刷新人类对宇宙高能现象的认知，“拉索”正在以持续的突破，推开人类探索宇宙的新窗口。这些成果或许不会立刻转化为手机里的应用程序，却实实在在地拓展了人类认知的边界，成为中国科技创新的重要基石。当我们提及稻城、“拉索LHAASO”、“拍电子伏”这些词汇时，心中理应涌起两份情感：一份是自豪——自豪于中国能在世界屋脊打造出引领全球的科研重器;一份是敬畏——敬畏于这片宇宙的神奇、壮丽与无穷未知。
“拉索”的故事，是中国大科学工程发展的缩影。这些散布在神州大地的科研装置，正以各自的使命，合力拓展着人类对宇宙、对自然的认知边界，也彰显着一个国家对基础科学研究的长远投入与坚定决心。在探索未知的道路上，中国科学家与这些国之重器一道，正书写着属于这个时代的科学传奇。
本文来自微信公众号：腾讯太空，作者：李哲