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创新案例

羊八井高海拔科研基地的创业历程

  
 
 
    中国科学院高能物理研究所羊八井宇宙线实验组的科技人员十多年来一直活跃在海拔4300米、气候恶劣、变化无常、辐射强烈的雪域高原-西藏念青唐古拉山脚,他们在极其艰苦的条件下面对困难、勇于开拓,无私无畏、甘于奉献,坚持逐年发展,终于建设起一个具备多样观测手段、北半球海拔最高的令国际瞩目的宇宙线观测站。2001年羊八井国际宇宙线观测站被国家科技部列为首批国家重点野外观测试点站。现在,课题组正在努力将羊八井站建成国际一流的宇宙线实验中心,多学科交叉的科研平台,争取获得更多的原创性成果。
 
    羊八井宇宙线观测站海拔4300米,具有得天独厚的自然环境和极其难得又日益改善的社会支撑条件,是建设和长期维持大型高海拔实验基地的理想站址。我们于1984年进藏考察,1988年定点,1989年严冬坚持野外安装,1990年开始观测并宣布观测站成立。十多年来,野外探测器已由45个发展到近800个,国际上独一无二的大型全覆盖“地毯”式阵列也正在建造中。这里正开展着中日ASg和中意ARGO两个大型国际合作g天文和宇宙线实验;在中国科学院路甬祥院长的倡导下,建设多学科交叉平台正成为羊八井探索前进的方向。
    一、跃上羊八井
    20世纪70年代末、80年代初是中国宇宙线研究大讨论、大转型的时期。此前,我国唯一的宇宙线野外实验站是建于1954年的云南东川落雪实验室,及以它为基础经过“大跃进”时期于1965年建成的云南站,它们以奇异粒子和高能核作用为研究方向,以传统的云雾室为观测手段。然而,经过十年文化大革命的蹉跎再放眼世界,欧洲核子研究中心的SPS已经问世,美国费米实验室的“Tevatron”也即将建造,云南站大云雾室的TeV级工作能区已为飞速发展的人工高能加速器所占领。在这样的形势下,接收度甚小、每小时只能有几次触发照像的半手工操作的云雾室系统,即使做得再大,也无法与现代化的加速器实验争能区、争课题。
    其实,宇宙射线除了其粒子的(微观的)属性外,更具有宇宙的属性。面对携带着有关宇宙远方、天体演化、空间环境及太阳活动等多种宝贵科学信息而源源不绝自动送上门来的宇宙射线,人们不应熟视无睹,也不应只把它当作“粒子炮弹”来用。随着人工加速器能量的逐日提高,宇宙线研究应当愉快地让出它传统的高能和甚高能能区而移师到加速器尚不能达到的超高能(UHE, 即>1014eV=100TeV)能区去研究核作用的新特征和新现象,同时在所有能区(主要是更低的能区)偏重对宇宙线宇宙侧面的研究。为此,走出云南站云雾室和高能核作用的局限就成为形势发展的必然。因此,很多同志选择了空间硬X射线,我们则选择了基于宇宙线广延大气簇射(EAS)技术和我国特有的高山优势的地面实验,开始了艰苦的创业历程。
    为了掌握这门技术我们从1983年开始,以完全自力更生白手起家的方式,研制了一套由63个0.25m2闪烁探测器组成的EAS阵列,并于1987年建成了怀柔EAS观测站。原打算工作两年后搬到西藏,以同一套设备异地观测EAS的纵向发展,研究“膝区物理”。不意西德kiel大学组于1983年宣布“发现”河内双星SygX-3为超高能g源(后证明为误),大家都以为找到了破解宇宙线起源之谜的钥匙, 从而引起了世界范围的g天文热潮。我们及时调整了重点目标并于1984年到羊八井考察,1986年邀请了美、日、意、苏等国的有关学者在北京召开了“西藏计划”国际研讨会,达成了中、日、意、美分工合作在羊八井建造一复合型EAS阵列的初步意向。到1988年,以中日双边合作的形式正式启动了羊八井实验的筹建工作。
    二、20万元起家
    1988年,日方申请到约四千万日元的科研费,我们也获得了20万元的所长基金启动“西藏计划”。于是“量体裁衣”,快速度、小规模开始了筹建工作。中方负责羊八井基地建设,日方提供阵列设备。共同的科学兴趣和紧迫感使双方配合默契,高原严冬,我们坚持在野外工作,使45个探测器的羊八井一期小阵列和羊八井观测站于1990年元月初步建成。
    此阵列在当时国际上众多的g天文EAS阵列中,是最小的一个,然而它一出世就以最低的探测阈能(10TeV)和次高的事例率(10Hz)令人惊奇,并在当时独家在甚高能和超高能间的空白能区给出了蟹状星云g流的上限值,突显了羊八井高海拔观测的天然的物理优势。这促成了中日双方共同进一步扩大羊八井实验,以便尽早形成规模,达到预期物理目标的决心。于是我们就在雪域西藏的羊八井坚持了下来,并有了以后的持续发展:1994年扩建ASg二期阵列,野外探测器增至221个,覆盖36900m2;1996年又在其中的~5000m2地面增加了77个探测器使这里的探测器间距缩小至7.5m,从而将探测阈能降至国际同类设备的最低值(3TeV),导致了对蟹状星云³3TeV g射线的正探测;1999年又增加了255个野外探测器,将阵列作了全面加密;2000年和2002年又分别增加了133个测定粒子密度的探头和180个快时间探测器;2003年,再增加46个探测器使得ASg三期阵列一共拥有了779个野外探测器,加密区的面积达到32500m2。这些发展所提高的观测能力,促成了一系列重要成果的产生:在国际EAS阵列实验中首先观测到蟹状星云的Multi-TeV g射线流,活动星系核Mrk 501在1997年、Mrk 421在2001年的Multi-TeV g射线强爆发,独家测出了太阳和行星际磁场引起的宇宙线太阳阴影的偏移并将之用于对太阳活动变化的监测,超高能宇宙线的能谱和成分测量等。
    其间,为了测定超高能宇宙线的成份,1996年在阵列中心建造了80m2的高山乳胶室及配套的地方簇射探测器;为了迎接第23周太阳活动峰年(2000年)的到来,1998年还分别自日本理化所和名古屋大学引进了一组太阳中子监测器和中子望远镜。在90年代空间g天文实验大丰收的启发下,面对当时危机和机遇并存的形势,我们及时提出了将传统的取样型EAS阵列发展为全覆盖“地毯”式阵列的中意合作ARGO计划,以充分调动羊八井高海拔的物理潜能、进一步降低阈能并大幅度地提高探测灵敏度。1994年,此计划被列为中国科学院“九五”基础研究发展规划(草案)的建议项目,开始了预研。1998年底,在路甬祥院长等的直接见证下,意大利国家核科学院(INFN)院长与高能所所长代表双方在北京签订了正式的项目合作协议;2000年,ARGO项目建设正式启动。现在大规模的RPC(高阻平板室)粒子探测器的安装调试工作正在展开。
    三、历史造就的特点
    1、通过国际合作尽快占领前沿阵地
    学科前沿是众多研究活动推动的,因而是动态的,特别是在技术进步日新月异的当代。要想有所作为,必须紧紧扣住学科发展的脉搏,以尽可能快的速度去占领前沿阵地。然而,历史经验和现实条件(经费缺乏和国内元器件品种和整体水平不足),使我们认识到,不必固守完全的自力更生而去耗费五到八年建一个技术二流、规模不足、缺乏国际竞争能力的羊八井站,而应以其高海拔优势,争取国内支持和国际合作,吸引外国的资金、人才和一流技术来此合作,从而以高起点、高速度实现跨越式的发展。为此,我们逐步争取到了国家自然科学基金委“八五”和“九五”重点课题、中国科学院国际合作项目及基础局、计财局等多项支持和国家科委的几次临时补助,日方也前后申请到文部省专项经费用于羊八井实验, 这才有了羊八井站的持续发展。而我们的最大优势就是拥有羊八井这样一个得天独厚的高海拔实验宝地,和一支在出国大潮不断冲击下能以蜘蛛结网的韧性维持人心不散、事业向上的队伍。
    2、用不断提升的科学目标驱动持续的进取
    建站之初,我们急切的目标是验证西德kiel组宣布的、一些实验组附和的SygX-3“UHE g源”。 当确知其为误后,进一步降低阈能以在multi-TeV能区去寻找g源、g暴,扩大阵列尺度并在其中加入别种探测器以在羊八井这样的UHE EAS发展近极大的地方研究宇宙线能谱的膝结构和原初成份,就成为了我们的新追求。于是有了二期阵列建设和1996年以来的探测器的加密及与80m2的乳胶室和Burst探测器的联合。我们还赶在第23周太阳活动高年到来之前,于1998年秋由日本理化所和名古屋大学各引进了一套太阳中子观测设备,意在监测宇宙线的太阳调制和捕捉太阳爆发中的中子事件,研究太阳粒子的产生加速过程。面对空间实验g源大丰收和昔日的EAS g天文实验伙伴纷纷改向大气契仑可夫成像望远镜(IACT)实验的严峻形势, 我们则致力于探索在保持EAS阵列的宽视场、全日制优点的条件下,利用羊八井地理优势进一步降低探测阈能并取得一定的g/P识别能力,以进入~100GeV实验空白能区开展g天文,并在超高能以精准的测量和逐事例的原初成分分辨去研究“膝区物理”。于是又有了与意大利INFN的合作和ARGO地毯式阵列的启动。
    面对上一代空间实验所识别的高能g源多是河外的短时标高可变的变源(从而与大质量黑洞的粒子喷流图像相符)的事实,我们认识到,要有效地观测这种时标短至若干小时乃至分钟的流强和能谱变化,以具体研究那里的粒子产生加速过程,必须有比当代探测器更灵敏数十倍的观测手段问世。高海拔加特大的IACT组合将是现实可靠的解决办法。为此,也为了进一步降低探测阈能到数个GeV,迎接下一代空间g望远镜GLAST两年后上天将开启的g天文新时代,自2001年以来,我们着手策划与德国HESS组合作,在羊八井建造4台25m口径的IACT(目前国际在建的最大单台IACT,口径为17m)的计划,并自2003年起开始了羊八井天空云量的连续监测。正是这些随着学科发展不断提升的新目标,成为了羊八井实验永不枯竭、不断进取的动力。
(撰稿人:谭有恒)
 
    点 评:
    羊八井高海拔科研观测站的建设给我们的启示是,在科学和技术迅猛发展的今天,高能所的科学家积极主动地利用羊八井得天独厚的高海拔实验宝地的优势,广泛争取国内外同行的支持、参与和合作,把各种渠道的资金、技术和不同学科的人才吸引过来,实行多学科交叉,以高起点、快速度实现跨越式发展,建成了一个高水平的科研实验基地。他们的思路很值得借鉴。