●宇宙线是自动送上门来的宇宙空间的高能粒子流，也是人类能够获得来自太阳系之外的唯一物质样品
●今天，人类仍然不能准确说出宇宙射线是由什么地方产生的
●ARGO在希腊神话中是一个长着百只眼睛从不休息的巨怪，用它表征羊八井“地毯”的工作特点是十分生动的
1912年，德国科学家韦克多·汉斯带着电离室在乘气球升空测定空气电离度的实验中，发现电离室内的电流随海拔升高而变大，从而认定电流是来自地球以外的一种穿透性极强的射线所产生的，于是有人为之取名为“宇宙射线”。二十世纪30至50年代，作为当时唯一可利用的高能粒子源，在宇宙线中相继发现了一系列基本粒子，推动了早期粒子物理学和高能加速器的发展。
为了有效和长期对宇宙射线进行观测，各国都相继建立了观测站。1943年，苏联在亚美尼亚建立了海拔3300米的阿拉嘎兹高山站；日本在战后建立了海拔2770米的乘鞍山观测所；1954年我国建立了海拔3200米的云南东川站。
1990年，中日合作在海拔4300米的羊八井建立了西藏羊八井宇宙射线观测站，10年来，他们在γ天文、太阳活动监测和“膝区物理”等方面取得了丰硕成果。2000年以来，中意合作ARGO试验又在羊八井启动实施。6月4日，科技部、中科院、国家自然科学基金委、西藏自治区人民政府及意大利INFN等有关领导和一批中意科学家齐集西藏羊八井，庆祝ARGO实验室的落成。近日记者在中科院高能物理研究所见到了中方项目发言人谭有恒研究员，向他询问了关于羊八井及宇宙线实验的一些事情。
记者：接收宇宙线需要什么程序？
谭有恒：我们知道，宇宙线主要是由质子、氦核、铁核等裸原子核组成的高能粒子流；也含有中性的γ射线和能穿过地球的中微子流。它们产生于宇观环境下的高能微观过程，在星系际、银河中加速和传播，进入太阳系的还受到太阳风的调制，其中一些最终穿过大气层到达地球。除中微子外，它们在穿过大气层时都要与大气中的氧、氮等原子核发生碰撞，并转化出次级宇宙线粒子，这样一代一代地级联下去，将会产生一个庞大的粒子群。这一现象是1938年由法国人奥吉尔在阿尔卑斯山观测发现的，并取名为“广延大气簇射（EAS）”。
人们正是通过这种EAS现象，在地面对高能宇宙线进行观测淬取原初宇宙线的性质及其携带的宇观和微观信息。人类对宇宙射线的观测研究，依据能量与对象的不同，有三种独立的观测方式，即：空间观测、地面观测、地下（或水下）观测。其中，空间实验最直接，但规模和能量受限；地下实验基地建设成本高、探测器庞大；地面实验则最为方便和廉价、规模不受限，我们中国还拥有得天独厚的地理优势。
记者：为什么要在羊八井建观测站？请描述一下那里的环境。
谭有恒：广延大气簇射在大气层中有其发生、发展和衰亡的过程。能量低于1013电子伏特的宇宙线粒子引起的大气簇射很难到达3000米以下的低空，1015－1016eV广延大气簇射在4000米处发展到极大。因而在那里可能把地面观测阈能下扩至现有探测技术尚未达到的1011eV的空白能区，并对“膝区”宇宙线进行精确的观测研究，然而并非任何4000米高山都能成为有效的常年观测站址。羊八井地处西藏念青唐古拉山脚下，海拔4300米，那里终年无积雪，地势平坦开阔，交通便利，有地热电厂，有光纤通讯，有4千多常住人口和业已存在的兄弟单位及必要的生活服务设施，距地区首府拉萨城仅90公里之遥，因此具备建立一个大型的常年性国际高海拔科学实验室最必需的一切条件。
10年来，中日合作实验在羊八井的成功坚持和逐年发展，证明了羊八井得天独厚的地理环境优势是开发高海拔蕴涵的物理潜能的保证。
记者：请介绍一下与国外合作情况。
谭有恒：羊八井观测站于1984年选址，1989年启建，1990年初步建成，并组成以中科院高能所和日本东京大学宇宙线所牵头的羊八井合作组，开始中日合作ASγ试验。现在中日合作试验已进入第三期，设备的规模扩到了1990年的10倍，在γ源寻找、“膝区”能谱和太阳活动监测等方面取得了重要结果。现在中意合作ARGO实验又进入了设备建造安装阶段，羊八井宇宙线观测站成了事实上的国际开放实验站。ARGO实验近期将集中于γ天文，特别是在当前尚无有效实验手段的空白能区内的宇宙γ暴及γ源的寻找，利用月亮和地磁场组成空间磁谱仪对宇宙线反质子丰度的测量，超高能宇宙线“膝区物理”及以宇宙线为探针对太阳活动和日地环境进行持续监测等方面的研究。
记者：日本合作项目是否达到了预期的目的？最大的收获是什么？
谭有恒：原原本本的预期目标并未达到，如认证“天鹅”座X－3为超高能γ源的努力失败，因为它根本就不是。但意外的收获也很多。目前，中日合作已进行到第三期，ASγ阵列的有效面积增加到22000m2。以高显著性观测到来自蟹状星云的3－10TeV稳定γ流及活动星系核Mrk501在1997年的γ强暴发和Mrk421在2000年及2001年的几次短期γ暴发（outbursts），并在超高能宇宙线“膝区”全粒子谱和质子谱测量上取得突出进展；还独家测出了太阳阴影对太阳位置的偏移，开始了以宇宙线太阳影图监测太阳活动和行星际空间环境变化的探索历程。中日合作还计划于2002年再增加200个探测器，将阵列有效面积扩大至37000m2并在2004年建造一个EAS芯探测器专门用于“膝区物理”的研究。故总体说是十分满意的。
记者：ARGO项目中5000m2RPC全覆盖式“地毯”阵列是一个什么概念？项目的研究目标是什么？
谭有恒：此前的EAS阵列都是多点取样式，取样比在0．1％到1％（羊八井加密阵列）之间，“地毯”意味着近100％的取样比，即把到达的EAS粒子一网打尽。可以想像它有降低探测阈能近百倍，或通过对粒子分布样式分辨宇宙线原初成分的潜能。同时，它还保持了传统阵列全天候和宽视场的优点，这对持续监测、系统地巡天和发现突发事件是十分必要的。“ARGO”在希腊神话中是一个长着百只眼睛从不休息的巨怪，用它表征羊八井“地毯”的工作特点是十分生动的。
中意项目的探测器采用RPC（高阻板粒子探测器），计划将在实验大厅中安装1848个，单个面积3．5m2的RPC，其中“地毯”部分面积有74．4×77．9米。它将以比目前数十倍更低的阈能和10倍更高的灵敏度，力争在亚甚高能γ天文、宇宙反质子流测量、太阳活动短期变化的监测研究及“膝区物理”的突破性攻关等目标上做出原创性成果。
记者：“从未观测过的能区”指的是什么？目前羊八井的观测优势在哪里？谭有恒：指20GeV到250GeV能区，这是指此前的空间探测器和地面大型契仑可夫成像望远镜分别能达到的能量最高限和最低限。这中间一定有很多新东西，是国际上数个空间和地面计划激烈竞争的场所。ARGO对下一代空间实验的优势在于成本低、设备大、事例多；对下一代契仑可夫望远镜的优势则在于其全日制和全北天同时观测。需要指出的是并非在任何地方都能建设和高质量的运行“地毯”，必须有羊八井这样的高度和环境，“地毯”才能创造这样的奇迹。
记者：您计划ARGO项目在多长时间出成果？目前是否还有障碍？
谭有恒：计划将分两个步骤：2001年为起步阶段，在羊八井建成并运行约700m2RPC“地毯”；2002年至2004年为第二阶段，逐年扩大并最终建成5000m2RPC“地毯”及其外圈探测器。在逐年扩大中都将伴随有阶段成果的产生。这期间首先要看到所有的已知的北天甚高能γ源，并对之进行长期持续的监测；不排除意外发现的出现。
记者：您能对我们的公众简述一下接收宇宙线的意义是什么？
谭有恒：宇宙线是自动送上门来的宇宙空间的高能粒子流，也是人类能够获得的来自太阳系之外的唯一物质样品。它可作为宇宙空间的核作用产物和宇宙信息携带者而被研究，也可作为轰开基本粒子世界大门的微观“炮弹”而被利用，因而是一种天然的科学资源。加速器粒子物理发展到今天，取得了巨大成功，但粒子物理的进一步发展也在许多重大问题上显露出其能量尺度远高于人工加速器的特征，及与天体物理和宇宙学相互依存的特征。
研究这种“宇宙粒子加速器”以及跨世纪之谜“γ射线暴”的能量产生过程，将对人类未来产生何种启发和影响，还有，利用宇宙射线来监测我们地球的空间环境的努力是否有一天能成为“环境预报”的内容，是眼下难于估计的，但却显然是意义重大的科学探索。
记者：对天文爱好者，您有没有让他们为之振奋的消息？
谭有恒：今天，人类仍然不能准确说出宇宙射线是由什么地方产生的，但普遍认为它们可能来自超新星爆发、来自遥远的活动星系；它们无偿地为地球带来了日地空间环境的宝贵信息。就目前人类对宇宙射线的认识而言，还远远没有结论性的东西，但从事这一专业的科学家已在这一领域做出了可喜的成绩，今后也会有更好的消息出现。记者：从网上查找宇宙线的信息，会有许多关于太空医学方面的研究，那么宇宙线对人有伤害吗？
谭有恒：伤害主要是针对宇航员的。由于地磁场的屏蔽作用和大气层的保护，宇宙射线对生活在地球上的人不会有太多的伤害。但对宇航员，特别是舱外活动时间较长的宇航员，偶发性的太阳粒子事件就可能造成极大危害。但最通常的危害还是后者（或航天器穿过地球辐射带时）对航天器中的电脑和电子学器件的辐射损伤。
实际上，已有许多实验报告说适度的宇宙线照射可以使植物的生长发育得到促进。宇宙线的应用研究还有很大的空间。
记者：常年在羊八井做微观与宇观的科研工作，除学术上的成就，个人是否也会有些收益？
谭有恒：可以说自己对自己还算满意。这十几年，我们利用羊八井这块宝地，作出了在国际上比较有影响的工作，主要还是得益于科学本身。科学这东西就怕你不入门，一旦入了门就会鬼使神差地停不下来，因为你了解了学科发展，就会有紧迫感。这些年同宇宙打交道，实在感到人生太渺小了。一个人也就有20年好的工作时间，而我们这一代耽误了不少。我花了十多年在这个项目上，无非是少了房子、少了汽车，但是事业上的满足和健康的精神面貌造就了好的身体。这就是我最大的收益。
十年前，面对出国潮，谭先生曾有个强烈的心愿：在中国的土地上建一座国际水平的科研基地，把国外的人才也吸引到中国来。如今，中日、中意合作项目使羊八井日受世人瞩目，谭有恒和他们的研究组在西藏高原一步步实现了这一愿望，并继续把它完善着。
我们在交谈中，关于羊八井地理位置的物理优势一直是谭先生最为得意的。他说：地球上高海拔地区总是与地势险恶、空气稀薄、大雪封山、交通不便、能源缺乏、远离人群和城市等困难相联系，并非任何国家都拥有可保证必要的工作条件和生存条件的高山站址资源。因此一个好的高山站址，将在某种程度上决定一个试验站能否建立和有效存在的命运。中国有这样的地方是中国的天然优势，是中国人的福气；我们既然发现了羊八井，认识了它独特的科学价值，就没有理由装作看不见，没有理由因怕艰苦、怕错过出国挣钱的年龄而不去开发它。
现在，许多外国学者也认识到了羊八井的科学价值，吸引外国资金、技术和人才已不再是什么困难的事情了。我们还要努力把站区的实验和生活条件建设得更好，好过国际上的同类实验室，还要把北京的数据分析和硬件实验环境建起来并与国际接轨，从而吸引更多的中国学者的加盟，羊八井这块“宝地”才能永远生气勃勃，为国争光。
中科院高能物理研究所谭有恒 科技日报记者李兰
