2021天府人物推介（56）丨曹臻：在川筑起人类仰望星空的新平台，开启“超高能伽马天文学”时代

• 2022-02-11 12:22:18 来源：川观新闻

四川在线记者 徐莉莎

四川日报全媒体主办的“追光2021·天府人物”推介活动正在进行中。中国科学院高能物理研究所推荐国家重大科技基础设施高海拔宇宙线观测站（LHAASO，简称“拉索”）首席科学家、高能所研究员曹臻参选。

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曹臻，现为中科院高能物理研究所研究员，博士生导师。曹臻是拉索项目首席科学家、项目经理，历时四年，在稻城县海拔4410米的海子山上，带领项目团队克服高原、异地建设重重困难，于2021年7月完成拉索全阵列建设并投入科学运行。采取“边建设、边运行”的模式，拉索在建设期短时间内就取得了突破性的科学成果，科学成果一经发布就引起国内外科学和社会上的广泛关注。在他和团队的努力下，四川正逐渐成为宇宙线这一前沿领域的热土。

人物故事✦

2022年1月18日，由两院院士投票评选的2021年中国十大科技进展新闻在京揭晓。“1400万亿电子伏特，中国科学家观测到迄今最高能量光子”成功入选。

这是一项来自四川的成果，该成果由曹臻团队发表，该发现依托的国家重大科技基础设施拉索也由曹臻领衔建设。

宇宙射线是来自宇宙深处的高能粒子流，其中能量最高者可达到现今最大人工加速器所产生粒子能量的千万倍。科学家们试图通过宇宙线的研究，打开微观世界神秘的大门，而事实上已经促成粒子物理学的诞生和人工加速器的发展。

30多年来，曹臻一直从事粒子物理、粒子天体物理研究，长期在海拔4000米以上为宇宙线观测研究而奋斗，向宇宙线起源这一世纪之谜发起冲击。

30年前，他是羊八井宇宙线国际观测站的第一个值班人员；30年后，他成长为拉索的首席科学家，领衔建成了世界上灵敏度最高的同类型宇宙线观测站，在伽马射线天文学领域独占鳌头。

30年间，他的同门全部离开了宇宙线领域；独坐冷板凳，他培养出了国内第四代、第五代宇宙线传人。

客从何处来？

他牵头建成拉索，向世纪谜题迈出重要一步

在稻城县海拔4410米的海子山上的拉索，是曹臻牵头打造的人类仰望星空的新平台——

从航拍图上看，占地1.36平方公里的拉索，堪比200个足球场。它就像一枚外圆内方的铜钱，四种探测器阵列组成的“大圆盘”，日夜严阵以待，捕捉“天外来客”。

看似静谧的宇宙中，有许多肉眼无法看见的粒子在接近光速飞行。其中不少会从各个方向穿过大气层“光顾”地球。这些“沉默不语”的“客人”是来自外太空的唯一物质样品，被称为“宇宙信使”。

“客”从何处来？极小的粒子为何会带有超高的能量？它们的产生和超新星爆发、黑洞爆发有什么关系？……自1912年宇宙线被发现之后，一百年间，尽管与之相关的探索与研究已经产生了数枚诺贝尔奖牌，人类还是始终没有发现宇宙线的起源。

过去几十年来，人类的探测手段已经遍及从南极冰层之下3000米深处的中微子探测器，到位于世界屋脊之上的西藏羊八井的大型地面探测装置，乃至遨游太空的“悟空”探测器和国际空间站上的AMS02探测器，人类正在以空前的热情和投入规模，逼近这一世纪之谜的谜底。

各类“宇宙信使”无时无刻光顾着地球，拉索的“火眼金睛”就是针对挑出其中的高能光子而设计的。利用光沿直线传播的原理，反推其来源和加速机制。

曹臻是这个项目的首席科学家。2021年5月，他带着重磅研究成果将拉索带入人们的视野中。他对外宣布：在银河系内发现大量超高能宇宙加速器，发现了人类观测到的最高能量光子。

这不仅让过去20年缓慢前行的宇宙线研究上了一个台阶，开启了“超高能伽马天文学”的时代，还颠覆了人们的认知：原以为温和、中庸的银河系，也有伴随超高能光子辐射的剧烈活动，原来都认为这么高能量的光子都只产生于更加活跃的遥远星系。

“拉索收到天鹅座的来信！”“改变人类对银河系的认知！”这一次，拉索彻底出圈，引发全民对宇宙线的关注。

这一发现也让曾质疑过拉索的Felix Aharonian心服口服，他大胆预测，拉索的首次报告才只是冰山一角。在未来至少十年的时间里，拉索将在伽马射线天文学领域鳌头独占，并在该领域未来的发展中发挥主要作用。

仅仅两个月后，拉索在《科学》杂志发文，再度公布重磅成果。循着前述观测成果，拉索对其中一个超高能宇宙加速器——蟹状星云进行了研究，对其超高能区进行了精确测量，为该能区标准烛光设定了亮度标准。其发现被视为发现“挑战了高能天体物理中电子加速的‘标准模型’”。

最近，美国国家科学院、工程院和医学院发布了其最新的10年调查结果，概述了未来10年天文学界的科学目标，其中多次提及拉索作为该领域领先的项目，将决定本领域的未来发展方向。

该报告提到的3个这种级别项目中，只有“拉索”已进入工作状态，“拉索”也被Felix Aharonian称为“正在运行的‘未来探测器’”。

拉索的成果，仅仅是幸运？

“拉索运气很好！”曹臻从不回避谈论取得这些成果的偶然性。

他曾经和《科学》杂志的编辑说，“我们有最好的探测器，因此有最好的发现。”

对方反驳，“我承认你们有最好的探测器，这没有争议，但有没有好的发现，可不是你们说了算。”在拿出拉索的建设方案时，国际上也有科学家提出质疑，“你们设计的探测器能力是很强，但会不会造出来啥都看不到，白花钱？”

某种程度上来说，有没有高能量的光子落在“圆盘”上，这是老天爷说了算。但科研成果的产生，是偶然与必然的螺旋交错上升的结果。

为什么拉索可以在短时间内捕捉到迄今为止人类观测到的最高能量光子？偶然之外，还有必然。

2021年10月中旬，四川在线记者来到海子山上。气温已经降到了零摄氏度附近，中科院高能所的研究人员们，每天穿梭在这片布满了大小不一的花岗岩漂砾及形态各异的冰蚀岩盆的荒原上，检查一台台覆盖有绿色罩布的电磁粒子探测器。

这是过去4年里曹臻待的地方。头戴白色安全帽，棉服外套一件蓝色LHAASO马夹，椭圆的眼镜片外，再夹上墨镜片。大家口中的“曹总”总是这副装扮出现在现场。

“眼睛在天堂，身体在地狱。”在海拔4410米的海子山上作业，怎么都说不上美差。高原气候瞬息万变，降水超常的雨季和早至的严冬低温、暴雪等极端天气，极易引起工程延误。

但高海拔又是刨除大气层干扰，“捕捉”宇宙线的绝佳场所。

冒着严寒克服枯水季缺水的困难，曹臻带领团队通宵达旦地投入工作，承受着心理压力和体能考验，确保按计划为探测器阵列注入几十万吨纯净水，顺利实现工程预定进度。

海子山上地貌复杂，冰川活动产生了大量巨大漂砾。考虑到土建工程的难度，团队曾放弃了阵列核心区域局部范围的缪子探测器修建。但随着一半阵列的科学运行和相关物理分析的逐渐深入，曹臻意识到缺失的阵列面积不大，但影响不小。

为了填补阵列设计之初的空白，曹臻挑战不可能。他带领施工建设团队在工程现场勘察，几易施工方案，最终在不适宜建造探测器的冰积陇上，完成探测器的建设。

曹臻的另一个关键决策也影响甚深。为了早出成果，他们提出了“边建设，边局部阵列运行”的思路。在不影响工程竣工节点的情况下，项目团队利用冬季工程建设的间歇，安排好拉索部分阵列的科学运行。

这背后，需要科学的调度和严密的配合。最近，有系统负责人撰文回忆，正月初七他就已经在稻城现场，等待团队人员到场干活。正是在这种紧锣密鼓的节奏下，2019年冬歇前，拉索1/2阵列率先投入运行。

身体上的困难可以克服，最怕的是缺资金。2020年初，突如其来的新冠肺炎疫情把团队打得措手不及。项目团队一度面临资金短缺。3月，短缺到达顶峰，已经签好的合同，都付不出钱。

曹臻带着团队到处找出路，积极争取上级主管部门和承担单位的支持，协调了科学院5000万元的配套资金。他们及时调整工程建设的节奏，妥善管理工程进度，在各参建方的支持和努力下，最终度过难关。

2021年，拉索项目按期、全面完成了国家发展和改革委员会批复的各项建设任务。同时，投入运行的1/2阵列取得了突破性成果。

拉索计划在2009年提出，2015年成功立项，2017年动工，2021年7月正式建成，这在以10年为尺度的大科学装置建设中，堪称“神速”。

这是外国科学家想都不敢想的速度。欧洲人在世纪初提出的CTA计划，要耗资2亿欧元建至少100台望远镜，十几年过去迄今只建成一台。

在这几年中，他与四川感情笃深。在过去拉索建设的四年多时间里，他频繁往来于北京-成都-稻城。

拉索全阵列投入科学运行后，曹臻便开始忙于项目验收和四川天府新区宇宙线研究中心的建设。这里未来会成为拉索的“大本营”，也是国内外宇宙线研究交流的高地。

毫无疑问，因为拉索，因为曹臻和他的同事们，四川正逐渐成为宇宙线这一前沿领域的热土。

中国宇宙线研究险些断代，他挑起了第三代传人的重担

“30多年，就做宇宙线这么一件事。走在这条路上孤独吗？”记者问。

“不存在这个问题，你做任何一件事情其实都是孤独的。”像他往常接受采访一样，回答明确而坚定。

但说起宇宙线研究的传承时，他话锋转了。“你说孤不孤独，可能这也算孤独。”

这种孤独不来自他所仰望的寂静辽远的深空，也不是高海拔荒原上的刺骨冷风，是从同行者众到“走到只剩我一个”。

尽管宇宙线不是他最初的兴趣，但放眼中国宇宙线研究历程，没有曹臻，也许这个领域研究会更曲折。

新中国成立初期，王淦昌、张文裕、何泽慧、肖健等科学家回国，就开启了中国宇宙线观测研究。他们曾在昆明东川一座3200米的山峰上建设了中国第一个宇宙线实验室——落雪站。

改革开放后，中国科学院高能物理研究所研究员谭有恒到日本留学。日本先进的综合性空气簇射阵列让他产生了在中国做类似实验的想法。回国后，他积极申请经费，希望在中国建设世界级宇宙线观测基地。

20世纪80年代中期，中国开始有机会跟世界上最好的研究团队合作。正是在这时候，曹臻偶然踏入了宇宙线领域，成为谭有恒的硕士研究生。

少年时受中学物理老师的影响，物理学的种子在曹臻心中生根发芽。上世纪80年代末，他立志考研进入中科院高能物理研究粒子物理研究团队。

研究生是考上了，但曹臻被告知，“团队已招满，可以推荐到做宇宙线的团队”。他来到宇宙线团队，师从第二代宇宙线研究科学家霍安祥、丁林垲和谭有恒。

1989年，谭有恒等人提出在西藏建立第一代伽马天文探测器。3年后，曹臻成为羊八井宇宙线国际观测站的第一个值班人员。

但是，曹臻没有忘记魂牵梦萦的粒子物理。1994年，他来到美国俄勒冈大学物理系做博士后研究助理，选择了重离子物理的理论研究。

两相对比之下，他才发现自己的兴趣还是在现场。“尤其是做到粒子物理的后期，理论已经相当成熟，探索性相对弱一些。还是觉得做实验更加接近物理的世界。”他喜欢户外运动，而研究宇宙线往往都往人迹罕至、最偏僻的地方去。

某种意义上来说，他是幸运的科学家。当他想要回到宇宙线的跑道时，恰好有一个机会出现。曹臻来到犹他大学物理系做博后，主要从事超高能宇宙线HiRes实验研究。在这里，他接受了前沿、系统的训练。

而这期间，国内的研究团队和环境发生了巨大的变化。10年间，曹臻清晰地感知到，美国投入基础研究的经费开始下降，而国内的环境正在升温，经费呈上升势头。“要干科学这个事情，回国的机会会多得多。”

同时，国内宇宙线研究又面临着断代的危机。

在他读研的年代里，高能所就两位老师能带博士。他的导师霍安祥先生名下8名博士，全部离开了国内宇宙线领域。霍先生的学生中，曹臻是唯一一个留下来继续做宇宙线研究的，他成了“独苗”。

2001年前后，他的副导师丁林垲先生曾非常忧虑，中国宇宙线研究险些断代。

几经考虑，曹臻决定——回国。2004年，他回到高能所任博导，成为我国研究宇宙线第三代人的主力。他出任中意合作ARGO‐YBJ实验中方发言人，担任多项基金委重大国际合作项目、重点项目和973项目负责人。

如今，这条路上的同行者越来越多。曹臻做过统计，十几年来，他已经培养了十多个博士生，也为西南交通大学等代培了不少宇宙线研究者。而这些人，成为主导拉索建设和研究的主力。

曹臻热衷做科普。2021年底，他做过一个统计。在这一年中，他曾有30多次站在话筒前。“按照每年52周计算，每两周就是一次。”这无疑会占用部分科研的时间，但是他把这看成是播种。一方面让宇宙线物理在更多青少年心中生根发芽，也让拉索可以和更多领域结合。

在高能物理领域的研究，是以10年为尺度的。10年立项，10年建设，10年研究分析。从美国回来时，他只知道要做宇宙线物理，但从没想过能做这么巨大的项目，打开这样广阔天地。更没有想过，有这么多的超高能光子短时间内就落在拉索上。

拉索也需要更进一步。曹臻说，拉索在发现超高能伽马射线源后，也显现了自己的不足。下一步还需要加强和改进。

“退休前，你想做到哪一步？”记者问。

“该退就退”，电话那头，没有记者想象中的执念，语气格外洒脱。“一个人的精力和生命是有限的。即使发现了宇宙线的起源，也会有新的科学问题不断冒出来。”

“推动宇宙线发展，是整个领域的事，建成拉索也不是我一个人的功劳。这（退休）是一个正常的过程，最重要的是，我们做好了铺垫，这个事儿现在有人接着干下去，中国宇宙线物理研究，有了第四代、第五代科学家传承下去。”

（中科院高能所供图）

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