在稻城亚丁旁的无人区，我们建成了世界最大、最灵敏的高海拔宇宙线观测站 | 何会海

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中科院格致论道讲坛

2025-04-01 17:17发布于北京中科院格致论道讲坛官方账号

AI划重点 · 全文约4665字，阅读需14分钟

1.中国在稻城亚丁旁的无人区建成了世界最大、最灵敏的高海拔宇宙线观测站LHAASO。

2.LHAASO的选址过程历时6年，最终选定在四川稻城海子山，海拔4410米。

3.为此，研究人员采用了创新性的“小白兔”时间测量技术，实现了0.2纳秒的精度。

4.自2019年起，LHAASO的1/4阵列和1/2阵列先后投入运行，2021年整个阵列建设完毕。

5.目前，LHAASO已发现12个超高能伽马射线源，观测到人类历史上发现的最亮伽马射线暴GRB221009A。

以上内容由腾讯混元大模型生成，仅供参考

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15年的时间里，
我们就像养自己的孩子一样，
一天天看着“拉索”长大。

何会海 · 中国科学院高能物理研究所研究员
格致论道第117期 | 2025年1月18日 北京

大家好，我是何会海。我来自河北昌黎，一个小县城。我高中的时候特别喜欢物理，甚至到了迷恋的程度，不顾师长们的反对，毅然考取了北大物理系。我在北大物理系经受了好多年残酷的智商碾压后，最后进入了中国科学院高能物理研究所。

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▲北京正负电子对撞机

高能物理研究所是做粒子物理的，中国首个大科学装置“北京正负电子对撞机“就诞生在这里。它用加速器把粒子加速到很高的能量，然后让它们对撞，就可以撞出微观世界的奥秘。

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在世界范围内，这种加速器大概产生于20世纪50年代，在那之前科学家是怎样获取高能粒子的呢？答案就是宇宙线，也就是我的研究方向。

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在1912年的时候，奥地利有一个科学家叫做维克托·弗朗西斯·赫斯，他乘坐气球上升到5000米的高空，这种行为在那时候是非常危险的。不过，他发现了来自太阳系之外的一种能量非常高的微观粒子，于是就把它命名为宇宙线，从此打开了粒子物理学的大门，他也因此获得了诺贝尔奖。

宇宙线的能量非常高，最高能量的宇宙线比我们人类加速器能加速到的最高能量还要高3000万倍。那么，宇宙加速器是怎么把粒子加速到这么高能量的呢？这个问题经过了100多年，科学家还没有搞明白。所以宇宙线的起源就成为一个“世纪之谜”，是我们21世纪十一大科学难题之一。

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宇宙线来自遥远的宇宙，它携带了我们宇宙起源以及高能天体演化的信息，因此也叫做“物质信使”，是我们研究暗物质等新物理最好的利器。

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虽然宇宙线这么重要，但是探测宇宙线非常困难。因为我们的大气对宇宙线是不透明的，你要测量宇宙线就得跳出大气层，到卫星或者空间站上面去测量。

但是，随着你想要寻找的宇宙线能量的升高，粒子的数目会急剧地下降，最高能量的宇宙线每平方公里100年才会有一个。你用卫星或者去空间站上花很多年，都接不到足够的宇宙线用于科学研究，那怎么办呢？

好在宇宙线轰击大气的时候，还会产生很多次级高能粒子。这些高能粒子打到地面上来，会在亿分之一秒的时间里形成一场粒子雨。通过测量这些次级粒子，就可以实现对原初粒子的探测。而这种测量一般会在高山上进行，探测的场所就是高山宇宙线观测站。

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我们中国的宇宙线研究历史非常悠久。在1954年的时候，先辈们就在海拔3220米的云南落雪山建了我们中国的第一个高山宇宙线观测站。之后我们中国的科学家又在很多地方展开了宇宙线的研究。这里面最有名的是位于海拔5100米的西藏甘巴拉山的观测站，还有海拔4300米的西藏羊八井宇宙线观测站。

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▲河北兴隆
中国的第一台大气切伦科夫望远镜（1989）

我在参加工作的时候，先是在当时的北京天文台兴隆观测站做大气切伦科夫的研究，一做就是10年。我们这个望远镜直径1.5米，焦平面上只有1个光电倍增管。那当时世界上的同类望远镜有多大呢？直径10米，在焦平面上有1000个左右的光电倍增管。这个落后的程度可想而知。
 
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▲中意合作ARGO-YBJ实验（1998-2013）

接下来的10年，我们到了西藏羊八井做ARGO-YBJ实验。这个实验是当时世界上第一个全覆盖地毯式高海拔地面粒子阵列，已经很先进了，但是它的核心技术是别人的。

随着我国经济技术的飞速发展，终于有一天，我们有条件去建设我们自己的探测器了，于是就瞄准宇宙线起源这一世纪难题。
 
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▲高海拔宇宙线观测站
LHAASO（Large High Altitude Air Shower Observatory）

我们在2008年提出了建设一平方公里这么大、世界领先的高海拔宇宙线观测站，它的英文缩写是LHAASO，大家都习惯叫它“拉索”。

为拉索挑一个家
已完成：20% //////////

想要建一个站，首先要去做选址。拉索的选址有很多要求，比方说要位于4000-5000米的海拔高度之间，还要有一块面积大约1平方公里的平地，四周不能有遮挡，同时附近要有机场、有公路、有光纤、有医院等设施。即便是在我们中国，要去寻找这样的一个地方也并不容易。

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我们大概花了6年的时间，在4个省的5个地方做选址的踏勘。很自豪地讲，我是我们团队里面唯一一个踏勘过所有5个站址的人，我还是唯一一个独身去闯世界屋脊上的西藏阿里的成员。

但是我不会开车，我还晕车。在青海玉树的时候，我遭遇了人生中一次很严重的晕车，再加上高反，那真的是非常“美妙”的体验，让你这辈子都不会再想去体验了。

在云南香格里拉选址的时候，有一天我们一大早就坐车去到山脚下，然后徒步爬山。爬过一座小山之后，在山的那边跟马队会合，再骑马上山。

给我牵马的是一个藏族的小男孩，他一路上都在跟我说：“大哥，我这个马才两岁，它还是个孩子，走山路很累的，高海拔缺氧，上坡的时候你能不能不骑它？”

我一想，上坡的时候不骑它，那我要它干嘛啊？但是我这人脸皮比较薄，又不好意思说，所以就在上坡的时候一直自己走。实在不行的时候，我就赖在马上不下来了。

最后我们爬到了山顶，人困马乏，又饿又渴，再加上高反，本来就难受。再往山上一看，满眼的都是细雨蒙蒙、一片迷茫的样子，1平方公里内的场地上山峦起伏，海拔落差最高有150米，当时我的眼泪就下来了，在这样的地方，将来怎么去建观测站呢？

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所以后来，我们就把站址锁定在了四川稻城海子山。这个地方离世界上海拔最高的民用机场大概只有10公里，离最近的公路只有100多米。这个场地也非常平整，整个1平方公里内的海拔落差大概只有35米。
 
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稻城的亚丁景区非常漂亮，而且世界有名。但是当时拉索的站址是人迹罕至的无人区。

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这个站址里面怪石嶙峋，什么样的石头都有，房子这么大的石头到处都是，各种各样。这张图我特别喜欢，你们看像不像一个小老鼠？特别可爱，这是我自己从各种角度照的。

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这张看着像什么？是不是有点像蝠鲼？但是现在这个石头已经没有了。
 
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在夏天的时候，很多高海拔地区独有的奇花异草在这里竞相开放，真的非常漂亮。也有小动物们到我们这个站址来，晚上你还会听到狼嚎。

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这只小狐狸基本上已经成为我们的朋友，这只野猪是隔壁家的，我叫它彭彭，偶尔也会来拜访。
 
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这是我拍的一个民宿，真的是人间仙境的感觉。

必先利其器
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在选址的过程中，我们也在紧锣密鼓地开展高海拔宇宙线观测站的预先研究。

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▲从左到右：北京、西藏羊八井、四川稻城

这个流程一般是我们先在北京的高能所做原理性的样机研究，然后到西藏羊八井去做长时间的实地测试，然后再到实际站址海子山去做验证。

我们有一个缪子探测器，就是去测量缪子（μ子）的。在我们地球表面，每平方厘米的面积上每一分钟都会有一个缪子穿过你的身体。所以在座的各位现在就沐浴在缪子雨当中。
 

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这个探测器中间的主体是一个直径7米、高1.2米的袋子，里面充满了超纯水。超纯水是纯得不能再纯的氢二氧一，什么杂质都没有。这个水放了20年之后还可以喝，甚至比我们的纯净水还要好很多。但是，我们要保证这个水在高海拔地区不结冰。高海拔地区的常年的平均气温在0℃以下，最冷的时候能够达到-30℃，你怎么保证它不结冰呢？很简单，去加热就可以了。

但是，我们的缪子探测器有1188个，加在一块就有5万吨超纯水，在20年的时间里会产生一大笔运行费，我们舍不得花这个钱。

于是，我们就把缪子探测器下沉到一定的深度，让它处在一个温度零上的环境里，这样再加保温的成本就低很多了。
 
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当时提出了这个设计之后，我们就在西藏的羊八井去做这个实验。这些塑料大棚其实不是给人用的，而是给探测器保温的。

但是后来我们把站址选在了稻城，稻城的土壤含水率又比羊八井高很多，这点对于保温来说是非常不利的。于是我们又更改了设计，在稻城又做了几年的测试。整个缪子探测器测试大概就经过了五六年的时间。

当然，你要做一个世界上最好的探测器，肯定需要有一些创新性的技术在里边。我们在一平方公里的场地上有6000多个探测器，每个探测器上都有一块表，要去把这6000多块表同步对好，其实是一件非常有挑战性的事情。

有一次我在南昌开会，讲完之后有一位老师找到我说，他们在做一个叫做“小白兔”的技术，问我需要不需要。我当时就说这个东西太好了，正是我梦寐以求的东西。

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为什么叫小白兔呢？因为《爱丽丝漫游仙境奇遇记》里面的兔子先生身上老戴着一块表，时间对它很重要。而对我们拉索来说，时间也是很重要的。

当时这套技术能够实现1纳秒的精度，也就是1秒的十亿分之一，但是我们的要求要比这个还要高。

我们团队经过多年的技术攻关，最后实现了0.2纳秒，精度是之前的5倍，现在很多对时间要求高的实验都在用我们这套“小白兔”的技术。

辣叟为拉索巡山
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万事俱备，开工建设，我们这样一个科研团队立马华丽变身成一个工程建设团队。

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从北京到成都再到稻城这条航线基本上成了我们的专线。

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我是比较喜欢吃辣子，所以号称“辣叟”。我每个月要去上一次山。我在高原上缺氧的时候脑子会变笨，但是运动的时候大脑供氧就会比较充足，所以我喜欢在场地上走来走去的，就像《大王叫我来巡山》里面的小妖。这么多年，我把场地的每个角落都走遍了，自称“辣叟”巡山。

给大家看一些我们建设期的照片。

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在2017年，我们场地实现了“四通一平”，大概是这样的。

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到了2018年探测器进场，中间是一个水池子。
 
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为了早出成果，我们这个探测器采用了边建设、边运行的方针。于是在2019年，1/4阵列和1/2阵列先后建成并投入运行。

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在2020年，3/4的阵列就投入运行了。

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到2021年，我们整个阵列就已经建设完毕，全部投入运行了。这张照片非常漂亮，可以看到4种探测器组成了3大阵列。

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▲缪子探测器+闪烁体探测器

中间的一个个大土包就是缪子探测器，那个绿色的叫做闪烁体探测器。我们有1188个缪子探测器，5216个闪烁体探测器。

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 ▲水切伦科夫探测器

这是中间大水池的照片，有3.5个“水立方”加在一块儿那么大，一共有三个水池，这是其中的一个水池。

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▲水切伦科夫探测器

这是另一个水池的照片，非常漂亮，但现在再也看不到了。为什么呢？因为灌上4.5米深的水之后，再也没办法看到这么美的景象了。

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▲广角切伦科夫望远镜阵列

场地中间还有18台切伦科夫望远镜，它们就像眼睛一样看着带电粒子穿过大气。

宇宙中最耀眼的烟花
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拉索刚开始运行时，我们就取得了非常重要的科学成果。

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我们发现了12个超高能伽马射线源，可以说开启了人类观测超高能伽马射线天文的窗口。

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同时，我们看到了人类所看到的最高能量的光子。

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我们给宇宙拍了第一张最高能段的照片，我觉得很漂亮。只不过中间有两个窟窿，那是地球遮挡的效应引起的。

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当然我们也很幸运。我们开始观测不久，就捕捉到了人类历史上发现的最亮的一个伽马射线暴（Gamma Ray Burst，GRB）——GRB221009A（BOAT）。

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这是2022年10月9日发生的，我们把它叫做“宇宙最耀眼的烟花”。据此我们也得到了非常好的物理结果。

当然，拉索的结果不止这么多，我们有很多结果，还在不断地产生新的结果，每年你都会看到相关的报道。

15年养一个娃
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最后，给大家分享一些拉索的照片。

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这张照片是新华社的一位大师拍的：在4400米的海拔上飞檐走壁。

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这张是在－27℃的屋顶上坐看牛郎织女星的浪漫。

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这张照片是一位工人在休息，这形象非常像罗丹的《思想者》。

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这张让我最能想起《雪山飞狐》里面的主题曲。

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在高海拔的地方呼吸一口，大概只能得到海平面50%的氧气，所以你很快就会心跳加快，呼吸急促，就会产生高反头疼一系列的症状。但是我们的博士们还要抬着探测器，蹚过冰冷的小溪，爬上巨石，然后去工作，其艰苦程度其实是可想而知的。

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这些非常酷的照片都是我自己。
 
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这个图我把它取名叫两小无猜，是我跟一个同事在讨论问题。

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这是我吃了一口藏族的奶渣，真的是很酸爽。

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让我有点小骄傲的是，在这样的工作环境下，我们还在中午举办海子山午饭学术沙龙。

从2008年开始预先研究，到2023年拉索最终通过国家的正式验收，15年的时间里，我们就像养自己的孩子一样，一天天看着拉索长大。心中没有辛苦，有的只是一种幸福。这份辛苦付出，也恰恰来自内心的那一丝喜爱。

最后送给大家一句话，心中有星辰大海，处处是诗与远方。

谢谢大家！

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