美国宇宙线探测器还在设想，就已经落后中国二十年！

关注风云之声提升思维层次导读袁岚峰和中国科学技术大学天文系特任教授杨睿智博士和中国科学院高能物理研究所青年研究员陈松战博士两位老师一起直播，介绍了最近“拉索”（高海拔宇宙线观测站，Large High Altitude Air Shower Observatory，英文简称LHAASO）的重大成果。这是直播内容的第二集，第一集见：（《中国科学家收到“天外来信”，有可能是外星人吗？| 科技袁人》）。

精彩再现：

探测宇宙线有哪些方法？

袁岚峰（西瓜视频科普创作者；中国科学院科学传播研究中心副主任；中国科学技术大学科技传播系副主任）：目前研究宇宙线有些什么方法？为什么要建拉索这么一个东西？陈松战（中科院高能物理研究所研究员；LHAASO合作组物理分析协调人）：目前宇宙线，大概我们的宇宙线的探测其实就是，探测的方法刚才讲的一个就是在太空我们放个卫星，后来我们在空间站上放一个探测器就直接探测宇宙线粒子，为什么要跑到太空？就是因为我们为了逃避大气对宇宙线的一个吸收或者转变。我们的空间由于探测面积有限，所以说我们目前最大的也就是可能有一平米左右探测器，再大的话可能空间就没位置，但是我们宇宙线流强随着能量升高，大家刚才也讲了流强越来越低，你要求的探测面积越来越大，这种更高能量就需要在地面探测，其实我们拉索就是地面探测器，这个地面探测器有一个问题就是因为有大气阻挡所以源初的宇宙线在进入大气中，它就会产生一个粒子会打出两个粒子，两个打出四个，就慢慢慢慢变多，变成很多粒子，所以我们在地面就探测源出粒子在大气产生的次级粒子，就是我们拉索观测技术。

但是其实我们地面探测也有很多方式，比如说我们探测宇宙线次级粒子，我们拉索其中有探测器直接探测次级粒子，还有次级粒子在空气中传播而产生契伦科夫光，所以我们可以看到契伦科夫光，能量更高的话，其实这个粒子在空气中还可以把氮分子激发，会产生一个荧光，我们还可以探测宇宙线在大气产生的荧光探测器，目前还发展一个新的技术就是这些粒子在大气中传播，因为有低磁场效应才可以采用射电辐射，所以我们可以通过射电也可以探测宇宙线。

袁岚峰：这一会儿说了多少种探测的方法，这简直把我们现在能够想到的各种次级效应全都给探测一遍。

拉索与契伦科夫辐射探测器

袁岚峰：这个也需要向大家解释一下，契伦科夫是一个苏联的物理学家，但是发现又一件事情，我们平时都说物体运动速度不能超过光速的，但是这有个前提，说的是真空中的高速，它是一个固定值，就是大概每秒30万公里，这个是任何东西都不能超过的。但是如果是在介质中的光速，比方说在玻璃里边，在水里边，在空气里边，它那个光速是比真空当中光速是要低的，因为它是真空的光速除以它的折射率，所有这些介质折射率都是大于一的，比方说玻璃的折射率大概就是4/3，所以它那边的光速比较低，但是一个实物的粒子，它运动速度可能还比较高，它可以超过这个介质当中光速。所以当出现这种情况就是一个东西运动速度超过介质当中光速，它会打出一个自己的光，那就是契伦科夫辐射，契伦科夫也因为这个而得了诺贝尔物理学奖。

袁岚峰：契伦科夫辐射的探测器就是拉索核心的探测器之一，拉索里边有大量的好多的水，水契伦科夫探测器，是不是还有其他的也是用到契伦科夫的？

陈松战：我们拉索大概有四种探测器，其中有三项跟契伦科夫有关。第一个就是我们新发现的一个指针，它有两个，一个地上的一个地下的，我们地下就是埋了一个超声水，超声水就是高能的在水中穿透，产生契伦科夫光。当然我们还有另一个像一个很大的游泳池，放在游泳池的也是纯净水，这里面也是高能粒子在水中产生了契伦科夫光。我们还有另一个望远镜，望远镜，它大概就是通过高能粒子在空气中飞行速度，因为空气中粒子也是接近光速，所以说比光在空气的传播速度要快，所以也是叫超光，它也产生契伦科夫光，我们这个大气中产生契伦科夫光。所以说我们相当于有3/4的探测器都跟契伦科夫有关。

袁岚峰：是，我是看了你们那个实验原理，发现你们简直就是靠契伦科夫吃饭，到处都是契伦科夫，但是尤其让我感到震惊的是，竟然有空气契伦科夫探测器，因为空气的折射率已经非常接近于一了，空气当中光速跟真空光速其实非常接近，然后你还需要一个东西跑得超级超级快，它才能超过空气当中的光速，这个比在水中超过光速难度就要大多了。所以这样能探测到的粒子应该是非常少，结果你们居然还能探测这么一堆。杨睿智：不是，其实并不是，这个探测到的粒子还是挺多的，因为次级粒子中的电子，因为电子质量很轻，所以它的洛伦兹因子都是很大的，所以它确实是可以发出契伦科夫光。所以其实很低能量的宇宙线也可以发出去大气契伦科夫光，这种技术它的探测效率还是很高的。所以我们下一步也打算在拉索的赛特再建一个大气契伦科夫望远镜，我们现有的契伦科夫望远镜，主要是看宇宙线的，我们打算再建一个用来观测和拉索现有成果配合的，就是专门看高能伽马射线的一个契伦科夫望远镜阵列。

中国宇宙线研究发展历程

袁岚峰：在宇宙线探测方面，我们国家已经经过多少代的发展了？这中间跟国外有哪些合作？现在普通人能不能去参观拉索？因为我们宇宙线的发展其实我们起步是比较早的，大概是我们在刚刚建国的时候，我们老一代科学家就提出来研究宇宙线，为什么要研究宇宙线？其实当时还没有加速器，大家发现新的东西的粒子还是靠宇宙线，就是天然的加速器来寻找。比如我们刚才讲了就是我们的宇宙线第一个诺贝尔奖，宇宙线就是1936年，其实后面还有一个发现正电子也是在我们宇宙线探测中发现的，当然还有很多其他基本粒子都在我们宇宙线发现的，只不过后来加速器出现了，它打新粒子发现那个概率比我们高多了，所以我们宇宙线最后才不得不转向天体方面。

大型强子对撞机其实我们老一代科学家就是刚刚建国的时候就开始在大概一九五几年的时候，在我们云南落雪山就建成了第一个高山的宇宙线实验室，那的海拔是3200米，这是我们第一代科学家，第一代还是专注粒子物理，当时他们还发现一个很新奇的奇特粒子，现在老一代科学家一直在跟着那个粒子，大概现在我们高能所有一个老的科学家大概是前几天还给我们做报告，说从我们羊八井实验数据来分析这种奇异的粒子结果，我们第二代大概就是在西藏羊八井建了我们的一个宇宙线观测站，这儿我们从基本粒子研究转向了宇宙线本身的一个物理研究，当时1989年是跟日本人合作的，在西藏羊八井海拔4300，就建了一个AS γ 实验阵列，大概是从2000年我们又跟意大利合作，建了另一个阵列。

云南落雪山宇宙线实验站

羊八井国际宇宙线观测站我基本上是相当于从研究开始参与实验数据分析的，它们两个也都是要做伽马射线天文，但是都面向的是伽马天文。这个实验它运动更低一点，大概是0.1个的伽马射线天文。相当于说这是我们第一代、第二代的宇宙线阵列，拉索就像第三代的宇宙线阵列，我们拉索它的面积大概是比羊八井要更大，我们面积相当于AS γ 大概20倍，就是你的面积更大，你才能探测的能量更高，因为宇宙线流强很低。所以说相当于我们宇宙线阵列有三代了，大概是伽马、到我们拉索，但是我们做宇宙线的人，因为我们我们是有四代了，大概我都是属于第四代人，做宇宙线的人，他们属于第三代。所以相当于是我们持续奋斗了大概60年了，刚开始大家还吃不饱饭的时候都开始研究宇宙线。袁岚峰：这个是让我特别感动的一点，我也去看过你们高能物理所的历史，你会发现我们国家对老一辈科学家可以说是非常，就在50年代那时候啥都没有的时候，他们就想到要建宇宙线的观测站了，当然第一个那个名字叫做四川（云南）落雪山，听起来很有武侠小说的范儿，落就是落下大雪的落。陈松战：它是云南落雪山，在云南。袁岚峰：那个时候它就非常有战略眼光，但是我想这可能是因为我们国家那时候没有建设加速器的条件，所以你唯一能探测的就是宇宙线，但是总之他们抓住这个机会了，然后这里面还有一位老先生的名字叫张文裕，这是高能所所长对吧？陈松战：对，我们第一任所长。袁岚峰：你们第一任所长就是他OK，张文裕他资历非常非常老，他是杨振宁和李政道的老师，杨振宁和李政道1957年得了诺贝尔物理学奖的时候，张文裕他先是给他们发了一个贺信，他亲自去了瑞典斯德哥尔摩到现场去为他们祝贺，当时他就提出来，他要请杨振宁和李政道回国来工作。这两人当时都说非常感谢邀请，我们还想在美国再工作一段时间来增长自己的能力见识，在适当时机再回国，当然后来这个适当的时机就到了很久很久，最终他们确实也回来了给国家做出非常大的贡献。所以这是我以前看过张文裕的故事，最近看到因为拉索的事情，又看到又是张文裕老先生，这老前辈他真是太不容易了，在这么艰苦条件下，他们能够选择对他们来说最有利的一个途径，能够做出这么多的成果，这真是非常了不起的。袁岚峰：拉索其实这次发布的成果只是它一半探测期运行的结果，而且只是运行了11个月，但是它搜集到的数据前所未有的多，比以前任何一个宇宙线探测器的都要多，所以它是在大量的数据当中，发现了少量的超高能粒子的成果，发布出来了，就引起了一个轰动。所以说是它开创了超高能伽马射线天文学的时代。当它的能力升级达到一个全工作状态的时候，那时候会取得什么样的成果，当然更加令人充满期待了。但实际上对于探测器来说，当它还没有完全运行的时候就取得重要成果，这是常有的事。比如说2016年发现引力波就是这样的，发现引力波那个探测器叫做LIGO，激光干涉引力波探测仪，是美国做的。实际上LIGO它已经运行好多年了，之前它就叫做LIGO，运行了好多年始终什么都没有发现，以至于美国政府都不愿意资助它了，所以说再给你们最后一次机会，如果再不成这个项目就关了。

激光干涉引力波天文台但是他们自己也知道，因为按照他们计算，就是说在这个能量标注下，在这个精度下，发现引力波成果，希望本来就是很小，但是他们要做一个升级，变成高级的LIGO，把灵敏度提高10倍，结果刚刚升级完了之后，好像在几天之内他们居然就探测到一次引力波，一下就轰动了，但这个对他们来说也算意料之中，因为这个能力提高了，当然就可以发现以前看不到的现象。所以刚一升级，然后立刻就，就好像打麻将你作为新手一样，手气总是最旺的，会有这样一种感觉。陈松战：我补充一下你说手气很旺，其实我们拉索大概是1/2阵列大概是2019年12月27号那一天运行的。大概我们看到第一个光子在2020年1月11号，我们刚运行不到半个月，我们就看到一个PV光子，所以说我们非常幸运也非常兴奋的当时。袁岚峰：看到下一个这样的光子又过了多久？陈松战：又过了将近有七八个月。袁岚峰：就是说第一个和第二个之间间隔还更长，所以你们飞快的就看到了第一个。但是这个让你们大大的定了神，知道你们探测器做的是对的。陈松战：所以说看到这个东西之后，我们就需要想尽一切办法稳定探测器不断地运行。因为这个机会其实说白了还是一年就看到一两个，你错掉了可能就错过了。袁岚峰：是的，能够想象这是什么样的这么巨大的以平方公里论的探测器一年就探测到一两次。陈松战：当然我们的宇宙线这么高能的宇宙线很多，就是光子很少。袁岚峰：是的是的。

拉索在国际上是什么水平？

袁岚峰：拉索现在国际上是个什么水平？陈松战：其实我们宇宙线大概在高能超高能伽马射线方面，我们刚才提了一个德国的Aharonian教授，他说我们拉索是一个未来的探测器，现在运行了，明白吗？袁岚峰：超越时代的。陈松战：超越时代的，所以说在实践上我们应该是国际领先的，而且是至少在我们可以预见的范围内10年内、20年内应该是没有人能超过我们。袁岚峰：因为别的国家还没有提出一个像样的设想，比这个更高的对吧？陈松战：对，我就简单引用一下Aharonian教授的话怎么说呢？他说是欧洲、日本、美国联合启动一个下一代的大气切伦望远镜，他们当时说要看到，其中一个目标就是要看到100T的伽马射线天文，就是100T的伽马射线，当时他们提了一个大概是从两千零几年开始提出，大概预期2027年可能能建成这样一个探测器。当时他们说要把伽马射线探测能力推上100个TeV，相当于说他们启动实验还没建成，但是我们现在建成的时间在100TeV的超高能区的灵敏度已经是他们的10倍以上。所以说像我们这么在超高能区能提出来的实际上还没有，因为一个提出到最后建成还有几十年的时间，所以说我们应该说在可以预见的10年到20年内，我们拉索在超高能区应该是天下无敌的。袁岚峰：是的，刚才陈松战老师说的100个TeV就是10的14次方电子伏特，而现在拉索是已经能够做到10的15次方电子伏特。所以就是说美国提的，它是刚提出来它就已经落后了，它还没建就已经落后了，因为它建成它能力也只是现在拉索的十分之一，至于10的15次方意味着他们还没有设想，所以在可预见的未来，至少在他们提出一个更强的设想之前，拉索肯定是世界上探测的灵敏度最高的。陈松战：当然他们提出实验，可能他们有一个是面向超高能区，他们还有TeV能区的，他们是一个定点观测，他们的角分辨率比我们要好一点，所以说跟我们的探测器还是一个互补效应的。袁岚峰：你是说它们是一个什么样的观测？跟我们是互补效应？陈松战：他们定点观测，他们的角分辨率比较好。袁岚峰：所以他们的探测器也是有好处的是吧？陈松战：对，他们在TeV能区里面都要比我们要高一点。袁岚峰：那很好，我们还是应该各个探测器大家都建，互相互补，这也是我想问的问题，拉索建成之后羊八井探测器还有什么用处？它也是有它擅长的地方吗？

宇宙线探测，中国从合作到独立

陈松战：其实我们做AS γ 实验是日本人跟中国人有合作，现在我们其实只有小部分中国人在参与这个项目，大部分中国人在参与拉索项目，这个项目肯定是两个独立的项目，所以说不可能说拉索运行了你就要求他们不运行，只不过我们高所已经宣布停止了羊八井运行，可能羊八井正在要转移数据。袁岚峰：在宇宙天文方面科研实力怎么样？有没有国外的学生来你们这儿学习？陈松战：首先我们刚才也讲了，发展期间我们其实做拉索这帮同事基本上从原来跟意大利人合作，研究人员转过来的，所以说我们刚开始在羊八井上主要是跟意大利的合作，目前其实我们拉索除了主体是我们国内大概有20多家国内单位，大概有3家国外合作单位，所以肯定是有俄国人、有泰国的、还有瑞士的、还有意大利的，还有刚才说Aharonian教授。陈松战：所以我们合作单位大概国外的有这么多，你说这个来参与的，可能也就是他们这种可能要参与我们拉索实验，现在学生因为我们语境，我们都是出的中文，所以说学生是有个别是有外国的，但是并不是太多。杨睿智：我补充一下，陈松战老师可能不知道，其实对这个感兴趣的外国人是非常多的，我最近就招收了两个，一个是英国的，一个是亚美尼亚的博后他们想过来，当然也会从事拉索相关的研究。但是由于疫情的原因，可能现在来中国，物理上来中国并不是特别容易，据我所知，包括拉索的参与单位，上海交大研究所那边也是有一些外国的学生，包括他们刚招收了一个法国的教授过去，所以是这个项目在国际上影响力是非常大的，所以想参与的人还是非常多的。陈松战：其实我们去年面试了一个日本人，他来求职，来参加拉索实验，他说这么好我来求职，但是我们面试完也面试完通过了，但是突然来了一个疫情，结果他入职不了，最后他也放弃掉了。杨睿智：对，所以其实科学研究上国际合作还是很常见，也是很重要的，我们也是肯定是欢迎这样国际合作的，但是目前疫情导致国际合作可能遇到一些障碍。袁岚峰：感谢你们的介绍，这让我产生一个感觉，基本途径说这是我们国家宇宙线探测刚刚开始进入领跑这样一个阶段，已经是有很多外国人这也很感激，但是需要一个过程，相信逐渐的外国留学的人会多起来。陈松战：目前其实还有很多外国人他们申请参与我们拉索数据的解读分析，其实有很多跟我们拉索人合作来做我们数据分析的解读工作。袁岚峰：是的，我想一个新的科学中心，它肯定是这样一个逐步的建设成，肯定得有一个新的探测的仪器，新的数据，新的人员进来，一步步的科学中心向那转移，这是一个自然而然的过程。非常感谢两位老师的解读。