今年诺贝尔物理学奖授予弗朗西斯·哈尔岑,以表彰他对冰立方中微子天文台作出的决定性贡献,以及对天体物理来源高能中微子的发现。其实我国科学家在这一领域的研究也卓有建树。比如,位于四川稻城的高海拔宇宙线观测站(拉索 LHAASO),被称为“旷世之作”的HUNT。它们都凭借超高的灵敏度和巨大的探测规模,精准捕捉银河系内的中微子信号。其中,HUNT一旦建成,我国将在伽马天文和中微子天文两大前沿领域,同时握有领跑世界的旗舰级装置。
今年4月我们曾近距离与我国相关领域科学家进行面对面访谈。了解“宇宙幽灵信使”——中微子,到底是什么?并且第一次深入了解一位前沿科学家深耕领域数十年的一线的个人故事,了解在那些高深莫测的科研数字背后,他们的奋斗故事。其实真的想说一句,中国的科学家也十分了不起!
二月的贝加尔湖,像一个被冻结的仙境。湖面上有着奇异纹理的蓝冰,一望无际。
零下二十一度的极寒,让陈明君感觉自己快要被冻透了。但站在这片无人之境的冰面上,他心里涌起的,却是一种难以言喻的心情。就在他脚下,透过近一米厚的冰层,再往下深达一千三百米的幽暗湖水里,一项名为“HUNT”(高能水下中微子望远镜)的国际大科学装置,正在悄然生长。
再过一个星期,项目就要完成第三批次探测器的试验投放。而在未来的十年里,这里将建起一个由两千多串水下探头组成的巨型立体阵列,昼夜不舍地捕捉那些来自宇宙深处、被称为“幽灵粒子”的信使——中微子。
一想到HUNT建成后,中国在中微子天文领域将拥有的绝对领先地位,陈明君就觉得,这项以“十年”为单位的漫长事业,不再只是一个遥远的梦。
那天他在日记里写道:“这里的壮阔与深邃,让人感受到的不仅是自然力量的凛冽,更有探索与敬畏的哲思。在这样一片极致之境,唯有躬身探索,才能读懂它的独特魅力。”
陈明君,HUNT项目负责人。他的这条“追光”之路,从一个又一个极致的地方开始。
在成都天府宇宙线研究中心,陈明君办公室的书桌正对面,挂着一幅巨大的照片。照片里,是高海拔宇宙线观测站(拉索 LHAASO)项目所在地——稻城海子山的夜空。一个穿着宇航服造型的人,正仰望着头顶无比清晰的银河。
那人就是陈明君。这是一次配合摄影师的创意拍摄。但对于一个长期研究宇宙线和银河系的人来说,那一刻的心情很简单,也很踏实。
“能真切感受到宇宙的宏大和人类的渺小,同时想到我们正在观测的宇宙线,恰恰就来自这些遥远的恒星。这种‘亲眼看见银河,同时又研究它’的连接感,让人觉得这份工作特别有意义。”
这幅照片,映照着他当时全部的心境。
这张拍摄于2022年的照片,正是在海拔4410米拉索的项目基地,有一种进入未来时空,探索极致之地的神秘感。
开启HUNT项目之前,陈明君把过去二十多年的科研生涯,都倾注在了宇宙线探测上。他工作的地方,似乎总在人们的视线之外:从地下一千米的实验室,到海拔四千多米的高原,再到冰层之下的深海。但正是在这些静得能听见心跳的地方,有着世界上最纯净的空气和水源,能最清晰地捕促来自宇宙深处的“微光”。
其中,在四川稻城海拔4410米的海子山,建设拉索的那段日子,最是刻骨铭心。
稻城海子山上的高海拔宇宙观测站
宇宙线,这些以接近光速飞行的粒子,携带着恒星爆发、黑洞吸积等极端天体的秘密。它们闯入地球大气层,会与空气分子剧烈碰撞,引发一场粒子的“暴雨”。而拉索,就是一张铺在大地上的巨大“网”,捕捉这场暴雨的每一个细节,从而反推出粒子最初的样貌和来处。
陈明君和团队在拉索的主要任务,是建设其中的水切伦科夫探测器阵列。那是拉索四大探测器阵列之一,安置在一个有11个标准足球场那么大的水池里。水池中盛放着近三十五万吨经过特殊处理的纯净水,探测器在完全黑暗的环境中运行。原理说起来有些浪漫:宇宙线在传播中会产生一种叫“伽马射线”的粒子,当它的次级粒子从水中穿过时,会与水分子发生极其微弱的碰撞,并发出一点点转瞬即逝的蓝紫色闪光——科学家称之为“切伦科夫辐射”。水下的探测器要捕捉的,正是这一点点几乎可以忽略不计的光。
2021年10月21日,陈明君(右)与团队人员在装满纯静水的水池中,观察水下4.5米深的探测器单元的光电倍增管
那三年多,是体力和意志的极限拉扯。忍受寒冷和缺氧是家常便饭,但更磨人的是工期和进度,所有事情都像被按下了快进键,必须马不停蹄地往前赶。在拉索项目建设最紧张的几年里,陈明君累积在高原现场工作了530天。高寒缺氧,加上高强度的工作,他的体重在半年内骤降了34斤。
为了把有限的经费用在刀刃上,很多基础活儿都得自己动手。他和同事们一次又一次搬运物资,在错综复杂的实验场地清理、归类,拿起扳手一颗一颗拧紧螺丝。
“那次事故,现在想来,完全是我自己的问题。”陈明君语气平缓地回忆起五年前的一次经历。在一次现场巡查中,他看到一个问题,心里一着急,想着自己赶紧动手解决掉,结果一根手指不慎被夹断。直到现在,那根手指还时常麻木,没有知觉。
“当时就是看不得事情摆在那里半天解决不了,就想着干脆自己上手。”他淡淡地说,那场事故,原本完全可以避免。
在工程最紧的时候,也有很多不可避免的事情,陈明君也总是冲在第一个。“我们当时几个人要把一个重260公斤的防潮电子学机箱,用绳索起吊到离地面5米高的柱子上,最开始怎么也使不上劲,结果陈老师一下就爬到柱子上,抓住同事手中的绳子就往上拉,差点没站稳摔下来。”李凯负责项目机械工程及探头现场安装,回忆当初场景他用四个字形容陈明君:身先士卒。
工程最紧的时候,陈明君(中)与大家一起熬夜工作
但与行事风格形成反差的是,陈明君说话语速并不快,先安静地听完别人的话,再不急不躁、条理分明地说出自己的想法。朋友们说他待人平和,内心细腻,是个纯粹的人,就是有些过于低调。然而面对工作时,他骨子里的坚韧和执着就会显露出来。
也曾有过一个瞬间,在所有同事都离开基地后,他一个人面对苍茫的高山,终于没能忍住,蹲下身,埋头痛痛快快地哭了一场。原因是团队没日没夜地努力与付出后,差点因为一个工程上的失误而前功尽弃。积累许久的巨大压力在那一刻决堤,那股难受劲儿,他实在没能憋住。所幸,那是一次误判。
这也是一个追求极致的科学家,在身心俱疲时,对自己的一次“放行”。
作为一名科研工作者,参与每一个重大项目时,与家人聚少离多是常态。为了让家人了解自己到底在忙什么,陈明君曾邀请妻子和女儿到稻城拉索项目驻地看一看。那时,计划安装探测器的巨大水池还没注水,仍在建设当中。妻子走进水池内部参观,不到五分钟就被里面刺鼻难闻的气味逼退了出来。但她同时也看到,很多专家就在那样的环境里,一待就是一整天,低头认真做着手头的事,没有一句抱怨。那一刻,陈明君的妻子说,她有一点心疼,他们太难又太能忍了。
女儿来现场看望已经很久没有回家的陈明君
所有的坚守,都有回响。2021年,拉索成功探测到能量高达1.4拍电子伏的伽马光子,首次为“银河系内存在拍电子伏粒子加速器”提供了确凿证据,成果刊发于《自然》杂志。2022年,拉索又完整捕捉到一次千年一遇的“史上最亮伽马暴”,这项成果入选了“2023年度中国科学十大进展”。而在探测伽马射线暴的过程中,陈明君和团队负责的水切伦科夫探测器阵列,发挥了关键作用。
银河下的拉索
从高原上下来,陈明君收获了中国科学院杰出科技成就奖。他没有停歇,转身又走向了更深、更冷的地方。
从高原转战深海,挑战是前所未有的。
在贝加尔湖,冬日的白天,气温零下十几度是家常便饭。团队成员们一整天都在冰面上作业,住的是四人一间的集装箱上下铺,卫生间是四面透风的木屋旱厕。最近的商店在四十公里外,几乎没有新鲜蔬菜。从国内带去的工具仪器,全都堆在仅三十平米的简陋实验室里,转个身都困难。即便如此,大家依然会在这里工作到深夜。
一望无际的贝加尔湖,科研人员在冰面上作业
拉索的首席科学家、中国科学院院士曹臻研究员称HUNT为“旷世之作”。凭借超高的灵敏度和巨大的探测规模,它的目标是精准捕捉银河系内的中微子信号,填补国际空白。一旦建成,我国将在伽马天文和中微子天文两大前沿领域,同时握有领跑世界的旗舰级装置。
陈明君与曹臻(右)在拉索项目工程现场
但这条路,这之前全世界最顶尖的科学家已经走了半个世纪,始终未确切观测到中微子源。
三十多年前,国外科学家第一次在夏威夷海域投放中微子探测器,样机刚投下去就进水了——密封不过关,实验直接失败。后来科学家转战南极,做了十几年才成功,最终投放了五千多个探头。再后来,又在地中海启动了一个更大的中微子实验,七八年过去了,原计划要投放两百多串探头,目前只完成了百分之三十,而且扔下去的探头失效率还不低。
俄罗斯科学家在贝加尔湖也做着同样的实验,已经奋斗了四十多年。从2016年开始,他们每年在这里投放十几串探头,到目前总共也只有一百多串。全球这么多科学家努力了几十年,建成的探测规模加起来还不到三个立方公里。而中国提出的HUNT项目,目标是三十立方公里——是现有全世界同类项目总和的十倍。
“这样一个挑战极大的事,大概也就是像我这种不计个人前途、也不管将来能不能成功的人,才会义无反顾地去做。”陈明君说这话时,语气平静。“这两天我还在想,我离退休可能还有十五到二十年,所以将来只干这一件事,就足够了。”
2026年3月,科研人员在冰层覆盖的贝加尔湖湖面上作业
在HUNT项目成都实验室里,整齐摆放着一个个巨大的玻璃球体。这是由陈明君团队自主研发的深海探测器的“心脏”。其中核心部件叫光电倍增管,被封装在直径六十厘米的透明玻璃舱内。它的任务,是在千米深的水底,安全而精准地捕捉中微子发出的那一点点微光。
“这些玻璃球壳都是特制的,能承受几千米的水压。”陈明君解释道,“中微子产生的光,会被球壳里面金黄色的界面探测到。你可以把它理解成望远镜的‘眼睛’,最核心的就是这个记录光信号的探头。国外也有类似产品,但我们这个完全是自主研发的。玻璃壳是世界最大的,密封性也是最好的,里面的探头也是最大的。”
但这也意味着巨大的成本压力。因为整个项目最终需要六万个这样的探头。如何把成本降下来,本身就是一项需要攻克的难题。
由陈明君团队自主研发的深海探头,其技术已远超国外同行
事实上,这个从研制到安装全程由团队自主完成的探头,倾注了陈明君大量心血。问题总是一个接一个,需要耐心地一个个解决。比如最近一年,团队遇到的最大困扰来自玻璃舱里的一种“噪声”——一种干扰信号。为了找到噪声的来源,他们花了大半年时间反复试验,重新排布线缆,不断猜测、尝试、推翻、再来。
“这其实是个很烦人的过程。”陈明君说,“因为没有现成的规律可循,你不知道噪声到底从哪来的。只能不停地猜、凑、想方案。”
科研路上需要解决的问题可以说是不断涌现,只有当一个个被破解、验证后才能正式启动实施。
“要比较起来,我们在南海的预研工程难度比贝加尔湖可大得多啊,是‘天花板级别’的难度。我们要挑战自己的身体极限,还要面临在深海区域很多不可测的险情。”刘成,中国科学院高能物理研究所副研究员,负责HUNT项目系统集成工作,回忆前两次出海,他仍心有余悸。在一米多高的海浪颠簸下,所有队员都重度晕船,在这样的状态下,大家仍坚持完成了所有测试工作,“不过,下一次我们经验就足了,遇到问题、攻克问题,实现快速布放,降低危险。”
在中国南海进行探头下放及测试工作,这期间所有人都要克服海浪颠簸及晕船。
这条路注定不会平坦,陈明君心里比谁都清楚。大科学工程不仅需要深厚的科研积累,还要应对巨大的工程难题、数十年稳定的资金和人力资源支持,以及一套复杂的项目管理体系。即便现在HUNT项目在中国南海和贝加尔湖已经进入了一定规模的验证与建设阶段,整体方案也要在未来三年内才能完全定型。
他还提到一个必须面对的现实——如何花好每一分钱。
“所有经费都是国家的钱,是纳税人的钱。立项的时候,预算和方案是十年前做的。等真正建成,十年就过去了,中间的成本和方案肯定有很大变化。怎么把成本控制住,这也要花巨大的精力。”
在大科学工程领域,十年、十五年甚至更久的投入,也未必能立刻看到成功,这是常态。他能做的,就是像当年在拉索一样,专注、执着,把眼前的每一件事做到极致。
在他的办公室里,还挂着一幅启功先生的书法,写的是唐代诗人张旭的《山中留客》:
“山光物态弄春晖,莫为轻阴便拟归。纵使晴明无雨色,入云深处亦沾衣。”
诗的意思是,别因为一点点阴云就想回头。即便天气晴朗,想要深入云山雾绕的佳境,也难免会沾湿衣裳。些许“沾衣”的波折,本就是探寻美景的一部分。这大概就是他内心世界的写照。
陈明君是浙江磐安人,性格里有着江浙人特有的细腻,以及开放、坚韧的一面。他总说自己还不够外向,但就是这样一位内敛的科学家,在家乡的母校悄悄设立了一项物理专项奖学金。
“也许二三十年后,这笔小小的奖学金,真的能影响一些年轻人的选择。”他说这话时,眼睛里闪烁着光,“希望能在更多孩子心里,种下一颗科学的种子。”
从地下,到高原,再到深海。陈明君和他所代表的一群人,在那些人类感官难以触及的极致之地,用数年乃至数十年的寂寞与坚守,为人类的好奇心搭建着通往宇宙深处的桥梁。他们是仰望星空的人,也是躬身大地的人。他们捕捉的,是宇宙中最飘忽不定的“幽灵”,而他们所留下的,是科学研究之路上最坚实的足迹。
在这条路上注定有孤寂,也会伴随着反复的受挫。但陈明君心里有一个朴素而宏大的愿望:
“等HUNT项目建成,有望在前沿科学领域取得重要突破,必将为人类探索宇宙、破解宇宙线之谜写下重要篇章。将来在学生们的教科书上,能够更多出现中国科学家的故事和发现,能让世界看到中国在基础科学领域的坚守与贡献,那就是我们做这件事最大的意义。”
参考资料:
《拉索 打开人类高能宇宙新视界》
——漫成都·人物——
文字|Anyu
编辑 | Penny
图片|受访者、天府宇宙线研究中心
视频 | 小贰
主编/出品丨王红