2021天府人物推介（56）丨曹臻：在川築起人類仰望星空的新平台，開啟“超高能伽馬天文學”時代

四川線上記者 徐莉莎

四川日報全媒體主辦的“追光2021·天府人物”推介活動正在進行中。中國科學院高能實體研究所推薦國家重大科技基礎設施高海拔宇宙線觀測站（LHAASO，簡稱“拉索”）首席科學家、高能所研究員曹臻參選。

人物名片

曹臻，現為中科院高能實體研究所研究員，博士生導師。曹臻是拉索項目首席科學家、項目經理，曆時四年，在稻城縣海拔4410米的海子山上，帶領項目團隊克服高原、異地建設重重困難，于2021年7月完成拉索全陣列建設并投入科學運作。采取“邊建設、邊運作”的模式，拉索在建設期短時間内就取得了突破性的科學成果，科學成果一經釋出就引起國内外科學和社會上的廣泛關注。在他和團隊的努力下，四川正逐漸成為宇宙線這一前沿領域的熱土。

人物故事✦

2022年1月18日，由兩院院士投票評選的2021年中國十大科技進展新聞在京揭曉。“1400萬億電子伏特，中國科學家觀測到迄今最高能量光子”成功入選。

這是一項來自四川的成果，該成果由曹臻團隊發表，該發現依托的國家重大科技基礎設施拉索也由曹臻領銜建設。

宇宙射線是來自宇宙深處的高能粒子流，其中能量最高者可達到現今最大人工加速器所産生粒子能量的千萬倍。科學家們試圖通過宇宙線的研究，打開微觀世界神秘的大門，而事實上已經促成粒子實體學的誕生和人工加速器的發展。

30多年來，曹臻一直從事粒子實體、粒子天體實體研究，長期在海拔4000米以上為宇宙線觀測研究而奮鬥，向宇宙線起源這一世紀之謎發起沖擊。

30年前，他是羊八井宇宙線國際觀測站的第一個值班人員；30年後，他成長為拉索的首席科學家，領銜建成了世界上靈敏度最高的同類型宇宙線觀測站，在伽馬射線天文學領域獨占鳌頭。

30年間，他的同門全部離開了宇宙線領域；獨坐冷闆凳，他培養出了國内第四代、第五代宇宙線傳人。

客從何處來？

他牽頭建成拉索，向世紀謎題邁出重要一步

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台——

從航拍圖上看，占地1.36平方公裡的拉索，堪比200個足球場。它就像一枚外圓内方的銅錢，四種探測器陣列組成的“大圓盤”，日夜嚴陣以待，捕捉“天外來客”。

看似靜谧的宇宙中，有許多肉眼無法看見的粒子在接近光速飛行。其中不少會從各個方向穿過大氣層“光顧”地球。這些“沉默不語”的“客人”是來自外太空的唯一物質樣品，被稱為“宇宙信使”。

“客”從何處來？極小的粒子為何會帶有超高的能量？它們的産生和超新星爆發、黑洞爆發有什麼關系？……自1912年宇宙線被發現之後，一百年間，盡管與之相關的探索與研究已經産生了數枚諾貝爾獎牌，人類還是始終沒有發現宇宙線的起源。

過去幾十年來，人類的探測手段已經遍及從南極冰層之下3000米深處的中微子探測器，到位于世界屋脊之上的西藏羊八井的大型地面探測裝置，乃至遨遊太空的“悟空”探測器和國際空間站上的AMS02探測器，人類正在以空前的熱情和投入規模，逼近這一世紀之謎的謎底。

各類“宇宙信使”無時無刻光顧着地球，拉索的“火眼金睛”就是針對挑出其中的高能光子而設計的。利用光沿直線傳播的原理，反推其來源和加速機制。

曹臻是這個項目的首席科學家。2021年5月，他帶着重磅研究成果将拉索帶入人們的視野中。他對外宣布：在銀河系内發現大量超高能宇宙加速器，發現了人類觀測到的最高能量光子。

這不僅讓過去20年緩慢前行的宇宙線研究上了一個台階，開啟了“超高能伽馬天文學”的時代，還颠覆了人們的認知：原以為溫和、中庸的銀河系，也有伴随超高能光子輻射的劇烈活動，原來都認為這麼高能量的光子都隻産生于更加活躍的遙遠星系。

“拉索收到天鵝座的來信！”“改變人類對銀河系的認知！”這一次，拉索徹底出圈，引發全民對宇宙線的關注。

這一發現也讓曾質疑過拉索的Felix Aharonian心服口服，他大膽預測，拉索的首次報告才隻是冰山一角。在未來至少十年的時間裡，拉索将在伽馬射線天文學領域鳌頭獨占，并在該領域未來的發展中發揮主要作用。

僅僅兩個月後，拉索在《科學》雜志發文，再度公布重磅成果。循着前述觀測成果，拉索對其中一個超高能宇宙加速器——蟹狀星雲進行了研究，對其超高能區進行了精确測量，為該能區标準燭光設定了亮度标準。其發現被視為發現“挑戰了高能天體實體中電子加速的‘标準模型’”。

最近，美國國家科學院、工程院和醫學院釋出了其最新的10年調查結果，概述了未來10年天文學界的科學目标，其中多次提及拉索作為該領域領先的項目，将決定本領域的未來發展方向。

該報告提到的3個這種級别項目中，隻有“拉索”已進入工作狀态，“拉索”也被Felix Aharonian稱為“正在運作的‘未來探測器’”。

拉索的成果，僅僅是幸運？

“拉索運氣很好！”曹臻從不回避談論取得這些成果的偶然性。

他曾經和《科學》雜志的編輯說，“我們有最好的探測器，是以有最好的發現。”

對方反駁，“我承認你們有最好的探測器，這沒有争議，但有沒有好的發現，可不是你們說了算。”在拿出拉索的建設方案時，國際上也有科學家提出質疑，“你們設計的探測器能力是很強，但會不會造出來啥都看不到，白花錢？”

某種程度上來說，有沒有高能量的光子落在“圓盤”上，這是老天爺說了算。但科研成果的産生，是偶然與必然的螺旋交錯上升的結果。

為什麼拉索可以在短時間内捕捉到迄今為止人類觀測到的最高能量光子？偶然之外，還有必然。

2021年10月中旬，四川線上記者來到海子山上。氣溫已經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岩漂礫及形态各異的冰蝕岩盆的荒原上，檢查一台台覆寫有綠色罩布的電磁粒子探測器。

這是過去4年裡曹臻待的地方。頭戴白色安全帽，棉服外套一件藍色LHAASO馬夾，橢圓的眼鏡片外，再夾上墨鏡片。大家口中的“曹總”總是這副裝扮出現在現場。

“眼睛在天堂，身體在地獄。”在海拔4410米的海子山上作業，怎麼都說不上美差。高原氣候瞬息萬變，降水超常的雨季和早至的嚴冬低溫、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幹擾，“捕捉”宇宙線的絕佳場所。

冒着嚴寒克服枯水季缺水的困難，曹臻帶領團隊通宵達旦地投入工作，承受着心理壓力和體能考驗，確定按計劃為探測器陣列注入幾十萬噸純淨水，順利實作工程預定進度。

海子山上地貌複雜，冰川活動産生了大量巨大漂礫。考慮到土建工程的難度，團隊曾放棄了陣列核心區域局部範圍的缪子探測器修建。但随着一半陣列的科學運作和相關實體分析的逐漸深入，曹臻意識到缺失的陣列面積不大，但影響不小。

為了填補陣列設計之初的空白，曹臻挑戰不可能。他帶領施工建設團隊在工程現場勘察，幾易施工方案，最終在不适宜建造探測器的冰積隴上，完成探測器的建設。

曹臻的另一個關鍵決策也影響甚深。為了早出成果，他們提出了“邊建設，邊局部陣列運作”的思路。在不影響工程竣工節點的情況下，項目團隊利用冬季工程建設的間歇，安排好拉索部分陣列的科學運作。

這背後，需要科學的排程和嚴密的配合。最近，有系統負責人撰文回憶，正月初七他就已經在稻城現場，等待團隊人員到場幹活。正是在這種緊鑼密鼓的節奏下，2019年冬歇前，拉索1/2陣列率先投入運作。

身體上的困難可以克服，最怕的是缺資金。2020年初，突如其來的新冠肺炎疫情把團隊打得措手不及。項目團隊一度面臨資金短缺。3月，短缺到達頂峰，已經簽好的合同，都付不出錢。

曹臻帶着團隊到處找出路，積極争取上級主管部門和承擔機關的支援，協調了科學院5000萬元的配套資金。他們及時調整工程建設的節奏，妥善管理工程進度，在各參建方的支援和努力下，最終度過難關。

2021年，拉索項目按期、全面完成了國家發展和改革委員會批複的各項建設任務。同時，投入運作的1/2陣列取得了突破性成果。

拉索計劃在2009年提出，2015年成功立項，2017年動工，2021年7月正式建成，這在以10年為尺度的大科學裝置建設中，堪稱“神速”。

這是外國科學家想都不敢想的速度。歐洲人在世紀初提出的CTA計劃，要耗資2億歐元建至少100台望遠鏡，十幾年過去迄今隻建成一台。

在這幾年中，他與四川感情笃深。在過去拉索建設的四年多時間裡，他頻繁往來于北京-成都-稻城。

拉索全陣列投入科學運作後，曹臻便開始忙于項目驗收和四川天府新區宇宙線研究中心的建設。這裡未來會成為拉索的“大學營”，也是國内外宇宙線研究交流的高地。

毫無疑問，因為拉索，因為曹臻和他的同僚們，四川正逐漸成為宇宙線這一前沿領域的熱土。

中國宇宙線研究險些斷代，他挑起了第三代傳人的重擔

“30多年，就做宇宙線這麼一件事。走在這條路上孤獨嗎？”記者問。

“不存在這個問題，你做任何一件事情其實都是孤獨的。”像他往常接受采訪一樣，回答明确而堅定。

但說起宇宙線研究的傳承時，他話鋒轉了。“你說孤不孤獨，可能這也算孤獨。”

這種孤獨不來自他所仰望的寂靜遼遠的深空，也不是高海拔荒原上的刺骨冷風，是從同行者衆到“走到隻剩我一個”。

盡管宇宙線不是他最初的興趣，但放眼中國宇宙線研究曆程，沒有曹臻，也許這個領域研究會更曲折。

新中國成立初期，王淦昌、張文裕、何澤慧、肖健等科學家回國，就開啟了中國宇宙線觀測研究。他們曾在昆明東川一座3200米的山峰上建設了中國第一個宇宙線實驗室——落雪站。

改革開放後，中國科學院高能實體研究所研究員譚有恒到日本留學。日本先進的綜合性空氣簇射陣列讓他産生了在中國做類似實驗的想法。回國後，他積極申請經費，希望在中國建設世界級宇宙線觀測基地。

20世紀80年代中期，中國開始有機會跟世界上最好的研究團隊合作。正是在這時候，曹臻偶然踏入了宇宙線領域，成為譚有恒的碩士研究所學生。

少年時受中學實體老師的影響，實體學的種子在曹臻心中生根發芽。上世紀80年代末，他立志考研進入中科院高能實體研究粒子實體研究團隊。

研究所學生是考上了，但曹臻被告知，“團隊已招滿，可以推薦到做宇宙線的團隊”。他來到宇宙線團隊，師從第二代宇宙線研究科學家霍安祥、丁林垲和譚有恒。

1989年，譚有恒等人提出在西藏建立第一代伽馬天文探測器。3年後，曹臻成為羊八井宇宙線國際觀測站的第一個值班人員。

但是，曹臻沒有忘記魂牽夢萦的粒子實體。1994年，他來到美國俄勒岡大學實體系做博士後研究助理，選擇了重離子實體的理論研究。

兩相對比之下，他才發現自己的興趣還是在現場。“尤其是做到粒子實體的後期，理論已經相當成熟，探索性相對弱一些。還是覺得做實驗更加接近實體的世界。”他喜歡戶外運動，而研究宇宙線往往都往人迹罕至、最偏僻的地方去。

某種意義上來說，他是幸運的科學家。當他想要回到宇宙線的跑道時，恰好有一個機會出現。曹臻來到猶他大學實體系做博後，主要從事超高能宇宙線HiRes實驗研究。在這裡，他接受了前沿、系統的訓練。

而這期間，國内的研究團隊和環境發生了巨大的變化。10年間，曹臻清晰地感覺到，美國投入基礎研究的經費開始下降，而國内的環境正在升溫，經費呈上升勢頭。“要幹科學這個事情，回國的機會會多得多。”

同時，國内宇宙線研究又面臨着斷代的危機。

在他讀研的年代裡，高能所就兩位老師能帶博士。他的導師霍安祥先生名下8名博士，全部離開了國内宇宙線領域。霍先生的學生中，曹臻是唯一一個留下來繼續做宇宙線研究的，他成了“獨苗”。

2001年前後，他的副導師丁林垲先生曾非常憂慮，中國宇宙線研究險些斷代。

幾經考慮，曹臻決定——回國。2004年，他回到高能所任博導，成為大陸研究宇宙線第三代人的主力。他出任中意合作ARGO‐YBJ實驗中方發言人，擔任多項基金委重大國際合作項目、重點項目和973項目負責人。

如今，這條路上的同行者越來越多。曹臻做過統計，十幾年來，他已經培養了十多個博士生，也為西南交通大學等代培了不少宇宙線研究者。而這些人，成為主導拉索建設和研究的主力。

曹臻熱衷做科普。2021年底，他做過一個統計。在這一年中，他曾有30多次站在話筒前。“按照每年52周計算，每兩周就是一次。”這無疑會占用部分科研的時間，但是他把這看成是播種。一方面讓宇宙線實體在更多青少年心中生根發芽，也讓拉索可以和更多領域結合。

在高能實體領域的研究，是以10年為尺度的。10年立項，10年建設，10年研究分析。從美國回來時，他隻知道要做宇宙線實體，但從沒想過能做這麼巨大的項目，打開這樣廣闊天地。更沒有想過，有這麼多的超高能光子短時間内就落在拉索上。

拉索也需要更進一步。曹臻說，拉索在發現超高能伽馬射線源後，也顯現了自己的不足。下一步還需要加強和改進。

“退休前，你想做到哪一步？”記者問。

“該退就退”，電話那頭，沒有記者想象中的執念，語氣格外灑脫。“一個人的精力和生命是有限的。即使發現了宇宙線的起源，也會有新的科學問題不斷冒出來。”

“推動宇宙線發展，是整個領域的事，建成拉索也不是我一個人的功勞。這（退休）是一個正常的過程，最重要的是，我們做好了鋪墊，這個事兒現在有人接着幹下去，中國宇宙線實體研究，有了第四代、第五代科學家傳承下去。”

（中科院高能所供圖）