他让国外同行对中国方案从“冷言”变成“热捧”

不到两个月，在《自然》《科学》连发两个成果，并迅速冲上全球科技期刊论文热搜榜前1%……几乎一夜之间，高海拔宇宙线观测站（LHAASO）成为国际科研领域的大热门。

在此之前，作为全球宇宙线观测方案之一，LHAASO不仅很少被国际同行重视，还被一些人质疑。

从最初被“冷言”到之后被“热捧”，这场转变的背后有一位关键人物——LHAASO首席科学家、成都市“最美科技工作者”曹臻。

曹臻与LHAASO沙盘。（受访者供图）

起点

从云南大学本科毕业后，曹臻进入中国科学院高能物理研究所（以下简称高能所）攻读硕士学位，师从谭有恒研究员。

谭有恒是继王淦昌、张文裕、何泽慧、肖健等科学家之后，我国的第二代宇宙线研究人员。他曾到日本留学，回国后就致力于在我国建设世界级宇宙线观测基地。

师从谭有恒，意味着曹臻要做实验物理研究。心心念念想做理论物理研究的曹臻，一边接受着实验物理的训练，一边倔强地给自己选了一堆理论物理的课程。

不久后，谭有恒递给曹臻一张手绘草图。“我们去把它做出来。”谭有恒说。

草图是谭有恒在参与国际同行讨论时画出来的，画的是可以用在探测宇宙超高能光子的阵列中的缪子探测器。

1986年，曹臻和他的同学们跟着谭有恒来到怀柔一小片桃园里（现中国科学院大学校园内），用56台样机尝试搭建我国自己的宇宙线观测阵列。

就在此时，大洋彼岸的美国科学家也正在犹他的广袤干旱沙漠性谷地上，开启了寻找宇宙超高能光子的计划。

想起那段经历，曹臻自嘲：“我当时就像盗墓人一样，和民工一起掘地三米，用来放探测器。”

遗憾的是，怀柔桃园里的小型缪子探测器样机实验因为防水没做好，以失败告终。而犹他沙漠中的实验却变成了宇宙线研究领域一度享有盛名的卡萨米亚（CASA-MIA）实验。

尽管最初的尝试失败了，那段经历却让曹臻看到了实验物理的魅力。“令人着迷。一旦做进去了之后，就会觉得这个东西非常有趣。”曹臻说。

这次失败也没有让谭有恒气馁。最终，他联合日本、意大利科学家，发起“西藏计划”并建成了羊八井宇宙线观测站实验。

1988年，曹臻在怀柔雁栖湖冰面留影。（受访者供图）

高山

1992年，曹臻成为羊八井宇宙线观测站实验的第一位值班人员。在海拔4300米的羊八井，大自然以最不动声色的方式，给他狠狠地上了一课。

“缺氧、晕厥、失眠。我一辈子都在高山上，但这第一次就把我‘放翻’了，让我知道了高山的厉害。”曹臻说。

对于宇宙线研究者来说，他们除了要爬现实中的高山外，还要和所有科学家一样，攀爬科学的高峰。

1994年，依然对理论物理研究念念不忘的曹臻博士毕业。这时，一直没有跟风出国的他，还是决定去国际前沿的物理研究实验室看一看，他前往美国俄勒冈大学物理系，以研究助理的身份开展理论物理研究。

三年半后，他如梦初醒般地发现，自己的心早已被宇宙线实验物理牵走。

于是，他前往犹他大学，参与了当时国际最大的宇宙线实验之一——HiRes的实验研究。他做的第一个课题就是分析HiRes与同在犹他的CASA-MIA实验的联合观测数据。

那段时间，曹臻不仅发现了宇宙线能谱第二膝现象，还参与了一项重要发现——宇宙线能谱在十万拍电子伏特处存在“GZK截断”现象，那是宇宙线穿越宇宙大爆炸遗留的“迷雾”(微波背景辐射)后，到达地球时的最高能量。穿过“迷雾”的光子，能够到达地球的最高能量应该在1拍电子伏特左右。

然而，现实却是，人类目前测到的最高能量光子在0.1拍电子伏特以下。“明明还有10倍的空间，为啥就会有这个‘极限’呢？”曹臻心里纳闷。

“宇宙这么复杂，没开展实验探索之前你是不知道的。”曹臻将原因归结为探测手段有局限。像所有实验物理学家一样，他开始盼望着能有一个更高性能的探测设备，帮助人类冲破极限，看清宇宙。

1992年，曹臻在羊八井宇宙线观测站探测器旁留影。（受访者供图）

对手

2003年，尽管犹他大学向曹臻提供了副教授职位，旅美近十年的曹臻还是选择回到久别的高能所、羊八井。回国后，曹臻成为羊八井的中意合作ARGO-YBJ实验的中方负责人。在他的领导下，羊八井中意实验建成全覆盖式大型空气簇射阵列，并产出系列科研成果。

2008年，曹臻接到高能所通知：“国家在开展‘十二五’规划，你们可以考虑提一个大的宇宙线项目。”

十多年积累的想法，顿时在曹臻的脑海里翻涌起来。

冷静下来后，曹臻带领团队筛选出当时最具可行性的想法——将地面粒子探测与望远镜探测手段结合，实现多能区覆盖。之后，他们又在方案中增加了水切伦科夫探测器，以使整个项目同时覆盖高、中、低三个能区。这一想法最终变成了高海拔宇宙线观测研究的中国方案——LHAASO。

“能探测到的粒子能量越高，发现新现象的可能性也就越大。”曹臻告诉《中国科学报》。

此时，他面临着两个强劲的国际竞争对手：欧洲科学家提出建设由100多台望远镜组成的切伦科夫望远镜阵列（CTA）计划；美国科学家则提出了高海拔水切伦科夫观测计划（HAWC）。

2009年，当曹臻第一次在国际会议上分享LHAASO计划时，国际同行的目光都聚焦在欧洲和美国的计划上。

不仅如此，还有一些人质疑LHAASO：“0.1拍电子伏特就是极限，你们花这么多钱建这个东西，没准将来什么也看不见。”

曹臻在北京的办公室。（受访者供图）

方案

面对质疑和冷言，曹臻心里憋着一股劲：“中国方案必须靠实力来证明自己。”

在国内同行的共同努力下，LHAASO方案越做越细。他们与地方政府反复沟通，把LHAASO定在了四川稻城海拔4410米的海子山上，并计划在那里建100万平方米探测阵列，9万平方米伽马射线巡天望远镜，24台广角契伦科夫望远镜和0.5万平方米芯探测器阵列。

这个方案是在充分考虑工程建设环境的条件下设计出的。高原瞬息万变的气候，海子山布满巨大漂砾的地貌复杂，让他们在最初设计时放弃了阵列核心区域局部范围的缪子探测器。

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，缺失的阵列面积虽然不大，但影响不小。他便带领施工建设团队，在工程现场勘察，几易施工方案，在冰积陇上补齐了缺失的阵列。

2019年，曹臻（右）在LHAASO的水切伦科夫探测器中检查注水情况。（受访者供图）

高原冬季寒冷，混凝土施工无法进行，曹臻等人便提出“边建设，边局部阵列运行”的思路。这也意味着作为项目经理和首席科学家的曹臻要做大量的调度和协调工作。

那段时间，曹臻经常通宵达旦地工作，因为不放心工程现场，他高频次往返成都、稻城。在现场协调各项工作时，他和学生、工人们一起安装、调试。

这些辛苦，曹臻很少公开说。“这不是我应该做的事吗？”曹臻耸耸肩。

2019年，第三次监理会议在稻城召开，曹臻（右三）为专家介绍现场建设情况。（受访者供图）

孩子

2021年5月17日，LHAASO国际合作组在《自然》发表成果。他们在银河系内发现大量超高能宇宙加速器，推翻了曾经被广为认可的“能量截断”，由此开启“超高能伽马天文学”时代。

不到两个月后，他们又在《科学》杂志上发表成果，精确测量高能天文学标准烛光的亮度，挑战高能天体物理中电子加速的“标准模型”。

两次发布会上，曹臻都是发言人。他乐呵呵的大嗓门，让人很难把年近60岁的他与“花甲之年”这种词联系在一起。

2021年5月，曹臻在成果发布会上发言。（高能所供图）

这些成果让国际同行震惊。曾质疑过LHAASO的科学家，纷纷向曹臻申请开展国际合作。国际科技期刊上也随之大量出现超高能伽马射线的研究，只要涉及超高能宇伽马研究，必提LHAASO，随着疫情消退，各种系列研究大会、研讨会纷纷重启，对LHAASO的各种邀请纷至沓来。

2021年7月，LHAASO完成全阵列建设并投入运行。而此时，曾被认为是高能伽马射线天文学大热门的CTA计划，只建成了1台望远镜；美国HAWC计划，探测器性能远不及LHAASO。

“除了中国，其他地方都不可能如此迅速地实现LHAASO计划。”曹臻说，光是LHAASO基建工程量就足以让欧美国家望而却步。

对待LHAASO，曹臻就像对待自己的孩子一样，不管它有多成功，他总是不放心。隔三差五地，他要“上山转转”，看看数据运行情况好不好，线缆有没有松，装着探测器的水池外壳有没有坏……

作为中国第三代宇宙线研究者，即将到退休年龄的曹臻，也已经把LHAASO和从LHAASO成长起来的第四代、第五代宇宙线研究者的未来安排得明明白白。

按照他的筹划，望远镜阵列团队未来可以在LHAASO上再建32台望远镜，让LHAASO有能力识别超高能宇宙线的发射位置，进一步逼近最终的答案；地面粒子探测器阵列团队，未来可以通过国际合作，去南半球建一个比LHAASO大4倍的观测站，覆盖与LHAASO不同的天区；水切伦科夫探测器团队未来可以建一个在湖底或海底的探测器阵列……

“未来的几十年，中国宇宙线研究团队都有活儿干。”曹臻又一次自信而爽朗地笑道，“该退休的时候我就退休。”

2021年，LHAASO国际合作组合影。（受访者供图）