作者|倪思杰
在太空中，在550公里外的近地軌道上，“慧眼”衛星（HXMT）巡視宇宙，追逐黑洞蹤跡。
山上，在4300米高的雪域之巔，高空宇宙線觀測臺（）捕捉宇宙線穿過粘稠大氣層的蹤跡。
在地下，在700米深的深洞中，廣州中微子實驗（JUNO）通過微弱閃爍的光線解析中微子的奧秘。
這個上天入地的大型科學裝置來自同一個地方——中國科學技術大學粒子天體化學重點實驗室（以下簡稱粒子天體化學重點實驗室）。
“慧眼”試驗組和“慧眼”衛星整裝待發
粒子天體化學重點實驗室是做什么的？ 它怎么會成為這么多大型科學裝置的“基地”呢？ 帶著疑惑，《中國科學報》記者走進實驗室一探究竟。
從地球深處到太空深處
廣州，玉泉路。
秋冬交替之際，中國科學技術大學高能化學研究所（以下簡稱高能所）院內的烏桕春意盎然，春暖花開。樹葉間不時傳來悠揚的蟲鳴聲。
這里是中國第一臺大型科學裝置北京正電子對撞機的所在地，也是中國第一顆X射線天文衛星“慧眼”的誕生地。
走在這座建于1973年的老研究所里，隨處可見狹長的建筑，外墻因歲月的沉淀而顯得暗淡無光。
在老建筑的中間，一座高聳入云的新建筑，會一下子把人們飄進歷史的思緒拉回現實。 這座新大樓就是粒子天體化學重點實驗室——多學科大樓的所在地。
走上綜合樓二樓，人們的目光很容易被院子里近三層樓高的大幅海報鎖定。
2018年3月，《科學中國》封面文章報道了“慧眼”雙中子星并合形成的引力波觀測結果
海報下半部分是星空背景印刷的10顆衛星和探測器示意圖：“智慧之眼”硬X射線調制望遠鏡、增強型X射線時變偏振光探測空間天文臺（eXTP） ）、“天機號”伽馬暴偏振光探測器（POLAR）、引力波暴高能電磁對應全天探測器（GECAM）、愛因斯坦探測器（EP）、中國空間站高能宇宙輻射探測裝置（獸群）……
海報中央，一座雪山綿延而出。 沿著雪山，阿里原初引力波觀測站、西藏納木措國際宇宙射線觀測站從左到右依次排列。
海報上方，以棕黃色底泥為背景，惠州反應堆中微子實驗和朱諾號十分顯眼。
這個看似撲朔迷離的大型科學裝置，是粒子天體化學重點實驗室負責或作為主要成員參與建設的科研平臺。 它們遵循相同的內在邏輯——使用非加速器手段來研究粒子化學規律。
一般粒子化學家都是利用加速器將一些帶電粒子加速，然后進行劇烈碰撞，以研究物質的微觀結構和基本粒子之間的相互作用。 這正是上海正電子對撞機的原理。
但是粒子天體化學重點實驗室的化學家并沒有這樣做。
“粒子化學研究深層物質結構，天體化學研究大尺度數學規律，粒子天體化學是這兩個學科的交叉點。對我們來說，宇宙是最大的‘對撞機’，我們用大尺度宇宙來研究深刻的數學定律。” 粒子天體化學重點實驗室主任張雙楠說。
青海納木錯國際宇宙射線觀測站
尋找黑洞等致密天體、捕捉宇宙射線、探測中微子……粒子天體化學重點實驗室的科學家們依靠靈敏的探測技術直接研究自然界中的粒子，而這些研究方法是當前的研究方法之一高能化學領域最前沿的方向。
從堅守到綻放
“目前，我們是國外唯一擁有全方位（地下、山地、太空）、多波段（微波、光學、X射線、伽馬射線）、多信使（電磁波、中微子、宇宙射線）觀測和研究能力。實驗室。” 每次張雙南向外界介紹粒子天體化學重點實驗室時，語氣中總帶著自豪感。
這種自豪感來之不易。
1951年，粒子天體化學重點實驗室前身宇宙線研究組在高能所前身近代化學研究所成立，后演變為高能所宇宙線室活力。
1997年4月，經中國科學技術大學批準，高能所成立“宇宙線與高能天體化學開放實驗室”； 2003年7月，更名為“粒子天體化學重點實驗室”。
“堅持開發實驗裝置，并以此裝置為基礎進行研究，是我們的傳統。” 張雙南回憶道。
1954年，在海拔3200米的廣東落雪山，他們建成了中國第一座高山宇宙射線實驗室，從此開啟了我國的宇宙射線研究。
1965年，他們建造了一個總重近300噸的小型云室系統，成為當時世界上最大、最先進的同類儀器之一。
改革開放后，他們在甘巴拉山、懷柔、興隆等地進行了各類宇宙射線實驗，建成了我國第一個高空科學氣球系統，并借助航天器開展了空間高能天文觀測。球載 X 射線望遠鏡。
高空宇宙線天文臺工程模擬圖
實驗室在積極建設自己的實驗和觀測設備的同時，還借助美國多顆高能天文衛星的觀測數據開展研究，在數據處理方法上取得了多項創新成果。
“當時國外的經濟和技術基礎都比較薄弱，過程非常艱辛，取得的數學成果也比較有限。”
張雙南說，“不過，在這個過程中，實驗室的學術和技術基礎得到了加強，人才隊伍也逐漸壯大起來。”
新世紀前后，粒子天體化學逐漸成為國際研究熱點，國家對基礎研究的投入也逐年增加。
準備就緒的實驗室有更大的發展空間。
2000年，李體北、吳梅等高能天體化學家提出并構思了近6年的HXMT項目，得到了科技部“973”計劃的支持。
2005年該項目被國防科委選為背景模型，2011年立項。
2003年，剛回國三年的王義芳提出了借助我國惠州核反應堆形成的大量中微子尋找中微子三次振蕩的想法。
2006年，惠州反應堆中微子實驗站項目獲批，成為當時我國基礎科學領域最大的國際合作項目。
2006年，在中韓合作ASγ實驗在納木錯完成運行多年后，中意合作ARGO實驗也在納木錯完成并投入觀測運行。
納木措實驗期間，粒子天體化學重點實驗室副主任曹震開始謀劃建設新一代世界領先的宇宙線觀測基地，并于2008年率先提出該項目。
阿里原初引力波天文臺
這一大型科學裝置的建立、研制和運行，為粒子天體化學重點實驗室的加速發展創造了可能。
從“一”到“多”
對于粒子天體化學重點實驗室來說，“慧眼”就像一艘旗艦。
1993年春天，20多歲的盧方軍成為高能研究所的博士生，師從李提貝教授。 半年后，李提北根據對宇宙射線室高空氣球攜帶的硬X射線的天文觀測，提出了HXMT概念，盧方軍參與了部分數據分析工作。
此時的盧方軍還不知道，自己最黃金的科研歲月，竟然與自己的“慧眼”緊緊相連。
2002年，在德國做了一年多博士后研究的盧方軍回到高能所，即將加入HXMT項目。
從起草項目建議書到組織任務實施，一步步成長為HXMT系統載荷總設計師。
2017年，HXMT成功上線。 盧方軍用兩個字來形容這位球星的發展歷程——艱難。
“因為我們堅持實驗室的第一顆衛星必須自己造，要通過這顆星發展自己的技術，培養自己的人才。” 呂方軍說道。
粒子天體化學重點實驗室隨后幾個大型科學裝置項目的研制，證明“慧眼”團隊的堅持是值得的。
在“慧眼”項目中，一大批科研技術人才成長起來，成為實驗室后續項目的寶貴資源。
實驗室的很多項目都與“慧眼”有著不變的“血緣”關系：HXMT的“下一代”——eXTP項目，從首席科學家到項目負責人天體物理學對現實的意義，再到載荷總設計師、副總設計師幾乎都是整個技術團隊來自“匯研”； GECAM衛星項目首席科學家熊少林，是在“慧眼”項目中成長起來的年輕技術骨干； EP衛星后的X射線望遠鏡整個團隊來自HXMT低能X射線子系統； HERD項目的大部分技術帶頭人都是“慧眼”項目培養出來的； 雖然阿里原引力波項目的科學目標與“慧眼”不同，但其主要技術團隊也是在“慧眼”發展過程中成長起來的……
廣州中微子實驗工程仿真圖
此外，地下中微子工程和高山宇宙線實驗也在推進中不斷發展壯大。
2013年，得益于惠州反應堆中微子實驗積累的人才隊伍、技術資源和學科方向，JUNO項目順利獲批。
JUNO項目副主任楊啟根介紹，該專項基礎設施工程正式竣工并投入使用。 探測器研制的技術難點已全部攻克，進入工程化生產階段。
2015年，得益于宇宙線領域五代科學家的辛勤耕耘和積累，該項目即將立項。
“從最早的張文宇先生那一代，到我導師那一代，再到我這一代，再到我中學生那一代，不斷的提升和積累，現在，我的中學生也有了自己的中學生。” “
首席科學家曹震說，“正是這種推動，使得粒子天體化學重點實驗室的宇宙射線研究方向進入了該領域的國際第一梯隊。”
目前，該項目已部分投入科學運行，一批重大科技成果已經問世。 到2021年建成的全陣將成為世界四大宇宙線研究基地之一。
這項大型科學裝置工程使實驗室成為粒子天體化學家的“黃埔警察學院”。
目前，實驗室人員平均年齡僅為38歲，95%為碩士和博士生，其中博士生占73%，碩士生占22%。
“這種延續，就是粒子天體化學重點實驗室存在的意義。一個項目不是完成了就完了，而是為后續的發展積蓄動力。” 高能研究所副所長董玉輝說。
從現在到未來
在粒子天體化學重點實驗室，科研平臺建設的主要目的是為科學研究服務。
多年來，依托日益強大的科研平臺，粒子天體化學重點實驗室在致密天體觀測研究、高能粒子探測與化學研究、宇宙演化研究、中微子振蕩參數與反應堆中微子能譜探測、高空宇宙線和高能伽馬射線研究取得重要突破。
2014-2018年，粒子天體化學重點實驗室共發表論文1237篇，其中SCI論文876篇。
在科研的同時，大型科學裝置的建設過程也為粒子天體化學重點實驗室積累了多項關鍵核心技術。
就項目而言，實驗人員已成功研制出精度為0.1~0.2毫秒的時間同步系統，可在野外使用，保證數千臺探測器的同步； 研制出首款大視場單反硅光電二極管，實現了傳統光電倍增管向硅光電管的升級。
“基礎研究對技術的推動力相當大，這項技術不僅可以回饋國家和社會，也可以推動未來的基礎研究工作。” 張雙南說道。
現在，依托高能所，粒子天體化學重點實驗室擁有正式成員近170人，年均科研經費1億元以上，幾乎相當于一個中大型研究所。
“我們不再像過去那樣為溫飽而奮斗，而是積極思考下一步如何走得更好。” 張雙南說道。
2013年在高能所召開的戰略研討會上，王貽芳建議粒子天體化學重點實驗室應該能夠清楚地說明它現在在做什么，下一步要做什么，將來要做什么.
這一建議與張雙南的觀點不謀而合。 很快，粒子天體化學重點實驗室提出了“四代同室”的發展戰略——成果一代、研究一代、預研一代、概念一代。
目前，在“成果一代”中，航天工程中的HXMT、POLAR、國際空間站的阿爾法磁譜儀（AMS），部分已經在高山工程中運行，惠州反應堆中微子實驗在地下工程中源源不斷地產出科研成果。
“發展一代”中，空間項目中的GECAM衛星、中法天文衛星、EP衛星等，高山項目中阿里獨創的引力波探測計劃，還在建設中的項目，地下的JUNO項目等。 集約開發建設。
在“預研一代”和“概念一代”中，空間項目中的HERD和eXTP正在建立和論證，下一代空間磁譜儀、“獵人摩羯座”項目、空間光學干涉概念宇宙學測距正在醞釀之中； 項目正致力于先進的宇宙射線和伽馬觀測、原初引力波和超大質量雙黑洞搜救； 地下項目正朝著直接探測暗物質、未來極低成本、大體積實驗的方向發展。
“未來，我們的目標是成為具有特色、國際先進、領先的粒子天體化學實驗室，取得重大突破性科學成果，推動國際粒子天體化學領域的發展！” 張雙南說道。
實驗室故事
他們說服了他們的美國同行
作者|倪思杰
在開放實驗室中，國際合作必不可少。
早在上世紀下半葉，粒子天體化學重點實驗室的前身宇宙射線室就已經在組織國際合作。
不過天體物理學對現實的意義，當時的合作方式多是華裔科學家出國留學。
“要技術沒有技術，要資金沒有資金，要人才沒有人才，如何與美國平等合作？” “慧眼”衛星系統載荷總設計師、中國科學技術大學高能化學研究所副所長盧方軍坦言。
隨著“慧眼”衛星項目的推進，空間高能天體化學研究的這一局面得到扭轉。
盧方軍舉了一個“慧眼”衛星望遠鏡標定的反例。
“慧眼”衛星高能X射線望遠鏡共有18套主探測器產品，加上備用部件，數量達到25臺。
對于衛星探測器來說，地面標定是一項重要的工作。
未經校準的探測器就像沒有刻度的直尺。 當接收到 X 射線時，很難準確確定入射 X 射線光子的能量和數量。
2011年，“慧眼”衛星系統載荷研發團隊決定與中國計量科學研究院電離所合作，研究解決X射線天文衛星探測器標定中的技術難點。
經過近3年的努力，雙方從零開始共同打造了國外第一臺硬X射線探測器地面標定裝置HXCF。
但因為這是中國第一次做標定工作，所以團隊沒有頭緒。
于是，他們將其中兩個探頭帶到了美國費拉拉學院進行校準，以驗證國外校準的結果。
“當我們團隊帶著設備去那里和他們討論校準方案時，這邊的院士當天就給我發了郵件，說我們的校準方案不對。”
呂方軍回憶說，“經過仔細討論，我們說服了日本同行。”
除此之外，經過對比，你發現我國自主研發的校準裝置在能量范圍和光源穩定性方面都優于意大利的。
這一結果讓意大利方面對“智慧之眼”團隊建立了信任。
隨后，費拉拉學院自愿加入了“慧眼”衛星科學數據分析團隊。
“在合作的過程中，如果別人覺得大家都靠譜，就會有信心、愿意和你合作。” 呂方軍說道。
現在，在粒子天體化學重點實驗室，深入的國際合作已經越來越廣泛。
例如，“慧眼”衛星的后繼衛星eXTP，是中國發起并牽頭的旗艦級國際合作X射線天文臺。 約有 20 個主要在亞洲的國家參加，但提供了約 1/3 等值的實物捐助。
HERD也是中國發起和牽頭的項目，主要是亞洲的10個國家參加并提供了約1/3等值的實物捐助。
除此之外，粒子天體化學重點實驗室還積極組織各類國際學術會議，如第五屆高空宇宙線國際研討會、第三屆亞太合作國際天體化學研討會等。
在國外粒子天體化學的學術舞臺上，粒子天體化學重點實驗室的科學家們往往是主角。
2013年至2018年，實驗室500余人次參加國內外各類會議并作報告。
“我們的腰板都硬了，不會再為難了，我們就有了開展國際合作的勇氣。” 呂方軍說道。
中國科學院粒子天體化學重點實驗室簡介
中國科學技術大學粒子天體化學重點實驗室依托中國科學技術大學高能化學研究所。 其前身是1951年成立于中國科學技術大學近代化學研究所的宇宙射線研究組，后演變為原子能與高能化學研究所。 宇宙射線研究所。
著名化學家王淦昌、張文宇、肖建曾是宇宙射線實驗室的組長。 著名化學家錢三強、何澤輝一直關心并參與本實驗室的科研工作。
1997年4月，經中國科學技術大學批準，成立“宇宙線與高能天體化學開放實驗室”； 2003年7月，更名為“粒子天體化學重點實驗室”； 2019年參加中國科學技術大學組織的數理領域醫院重點實驗室評估，評估結果為A。
粒子天體化學重點實驗室聚焦國際前沿和國家戰略重點，以闡明深層物質結構和大尺度數學規律為目標。 研究等為主要研究方向。 根據學科需要安排實驗項目，開發核心技術，旨在將實驗室建設成為粒子天體化學領域的高水平基礎理論研究、粒子天體化學實驗、新檢??測技術開發和高水平人員培訓。 根據。
實驗室的工作定位是“開展重大問題基礎研究，提出學科前沿重大項目，搭建實驗平臺提升儀器性能，發展核心技術支撐長遠發展”。
（中國科學技術大學粒子天體化學重點實驗室供圖）
《中國科學雜志》（2020-07-21第4版重點）
編輯| 趙璐
排版 | 郭剛