宇宙射線是來(lái)自宇宙深處的高能粒子流(少數(shù)來(lái)自太陽(yáng)爆發(fā)事件)，其中能量最高者可達(dá)到現(xiàn)今最大人工加速器所產(chǎn)生粒子能量的百萬(wàn)倍．伴隨著宇宙透明、天體演化，它一直充斥在宇宙空間；數(shù)十億年來(lái)，它還突破太陽(yáng)和地球磁場(chǎng)的封鎖而時(shí)刻普照著地球，而在后來(lái)出現(xiàn)的地球生物卻對(duì)此一直習(xí)以為常、渾然不覺(jué)．直到一百年前，人們?cè)诖罅繜釟馇蚋呖沼^測(cè)中才發(fā)現(xiàn)了它的存在(Victor Franz Hess 于1912)．自此，人類得知了這種自動(dòng)送上門(mén)來(lái)的宇宙的物質(zhì)樣品和信息使者，也找到了當(dāng)時(shí)唯一能轟開(kāi)原子核的“粒子炮彈”，從而可以去打開(kāi)微觀世界神秘的大門(mén)，促成了粒子物理學(xué)的誕生和人工加速器的發(fā)展；并在今天人類活動(dòng)范圍日益擴(kuò)大的背景下，將它與地球的空間環(huán)境密切關(guān)聯(lián)了起來(lái)．在慶祝宇宙射線這個(gè)身兼宇觀、微觀和環(huán)境三重屬性的宇宙的使者被人類發(fā)現(xiàn)100 周年之際，全世界的相關(guān)學(xué)者都在盤(pán)點(diǎn)前輩們艱苦卓絕的探索歷程和豐碩成果，此時(shí)此刻，國(guó)人一定想知道，在人類百年宇宙線研究中，我們中國(guó)人做過(guò)些什么，占有何等的位置．正如大家知道的，兩年一屆的國(guó)際宇宙線會(huì)議自1947 年舉辦以來(lái)已經(jīng)歷32 屆，終于因我西藏羊八井實(shí)驗(yàn)的崛起而打破了歷來(lái)與中國(guó)無(wú)緣的局面，并使第32 屆國(guó)際宇宙線會(huì)議于2011年8 月在北京成功舉行．讓我們透過(guò)中國(guó)宇宙線研究與羊八井結(jié)緣的因果故事，一窺我國(guó)宇宙線研究的前世今生和美好未來(lái)．
1 大師們播下的種子
上世紀(jì)60 年代，張文裕先生曾告訴我們一段令人深感屈辱和憤慨的故事：在一次國(guó)際宇宙線會(huì)議上，有西方學(xué)者就中國(guó)的宇宙線研究情況問(wèn)某位著名的蘇聯(lián)學(xué)者時(shí)(當(dāng)時(shí)我們閉關(guān)鎖國(guó)，沒(méi)有代表與會(huì))，后者懶得說(shuō)話，只是舉起雙手比了一個(gè)大大的“零”字．當(dāng)年張先生每每說(shuō)到這里，都激憤得難于言表，連說(shuō)：“我們不是零”！可這個(gè)“零”的手勢(shì)還是在我們心里留下了深深的刺痛，并化作了后來(lái)奮發(fā)圖強(qiáng)的持久鞭策．
早期的中國(guó)宇宙線研究的確不是零．這首先因?yàn)樗钠瘘c(diǎn)很高，是大師們播下的種子．1951年，我國(guó)本土的首個(gè)宇宙線研究組在當(dāng)時(shí)的中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所成立時(shí)，抗戰(zhàn)時(shí)期就提出了證實(shí)中微子存在的新方法的王淦昌先生就是組長(zhǎng)，趙忠堯先生從美國(guó)帶回國(guó)的一臺(tái)50cm 多板云霧室是當(dāng)時(shí)我國(guó)宇宙線研究組的主要設(shè)備．趙先生1930 年在美國(guó)加州理工學(xué)院(CIT)做密立根(R. A. Millikan)的博士生時(shí)，就在硬γ射線散射實(shí)驗(yàn)中明確無(wú)誤地發(fā)現(xiàn)了“反常吸收(anomalous absorption)”[1]和波長(zhǎng)相當(dāng)于電子質(zhì)量的“附加輻射(additional scattered rays)”[2]．這其實(shí)就是高能γ光子的電子對(duì)產(chǎn)生和正負(fù)電子湮滅為γ光子的證據(jù)．此二過(guò)程是次級(jí)宇宙線中普遍存在的電磁級(jí)聯(lián)，特別是我們?cè)谘虬司^測(cè)的廣延大氣簇射(EAS)得以生成的基礎(chǔ)，所以雖然當(dāng)年趙先生的實(shí)驗(yàn)是用放射源做的，它對(duì)宇宙線研究的貢獻(xiàn)卻十分巨大，并直接啟發(fā)了他同門(mén)師弟安德森(C. D. Anderson，1936 年諾貝爾物理獎(jiǎng)得主)的思路，采用磁云霧室于1932 年發(fā)現(xiàn)了正電子[3]，甚至也觸發(fā)了布蘭克特(P. M. S. Blackett，1948 年諾貝爾物理獎(jiǎng)得主)和奧恰里尼(G. P. S. Occhialini)在英國(guó)的相關(guān)研究[3]．只是由于它太超前了，沒(méi)能引起他老師和當(dāng)時(shí)的理論家們應(yīng)有的重視，也由于后來(lái)布蘭克特等用云霧室得到相關(guān)事例并對(duì)“反常吸收”和“附加輻射”做出正確解釋時(shí)，對(duì)趙先生文章引用上的疏忽和年份錯(cuò)誤[4]，導(dǎo)致了諾貝爾獎(jiǎng)的一個(gè)歷史性遺憾[5]．此外，趙先生四十年代末在麻省理工學(xué)院(MIT)的多板云霧室得到的簇射照片，曾被學(xué)界廣泛引用(其中一例是在鉛板中的核作用，伴隨著兩個(gè)穿透性次級(jí)粒子還有兩個(gè)電磁簇射生成，后者很可能是源于一個(gè)中性π介子衰變成的一對(duì)γ光子)，這些曾是我們這一代人宇宙線入門(mén)的學(xué)習(xí)經(jīng)典．
王淦昌先生在帶領(lǐng)年青人用帶回的多板云霧室做了電子光子簇射觀測(cè)和尋找長(zhǎng)壽命帶電超子[6]等實(shí)驗(yàn)后，奉調(diào)去蘇聯(lián)聯(lián)合核子研究所，隨后又去“兩彈”工作．此后，在張文裕先生(因在云霧室中發(fā)現(xiàn)“μ原子”而聞名)借出訪英國(guó)之機(jī)輾轉(zhuǎn)歸國(guó)之前，曾是安德森學(xué)生的肖健先生擔(dān)負(fù)起了我國(guó)宇宙線研究的實(shí)際領(lǐng)頭人的職責(zé)．在肖先生的主持下，1954 年在海拔3200m的云南東川落雪礦區(qū)建成了“中國(guó)科學(xué)院原子能研究所落雪實(shí)驗(yàn)室”，以趙先生帶回國(guó)的那臺(tái)50cm 多板云霧室和他主持于1956 年建成的一臺(tái)30cm磁云霧室為主要設(shè)備，帶領(lǐng)呂敏、鄭仁圻、霍安祥、鄭民等在50年代后半期開(kāi)展“奇異粒子”的尋找工作，并指導(dǎo)我們這一批年青人于60 年代初開(kāi)展宇宙線高能核作用研究．其間共有500 多個(gè)“奇異粒子”被找到，與當(dāng)時(shí)的國(guó)際水平并無(wú)明顯落差．問(wèn)題出在這以后的蹉跎不前和脫離國(guó)際科技日新月異快速進(jìn)步的形勢(shì)．
1958 年“大躍進(jìn)”時(shí)期，選點(diǎn)于距落雪實(shí)驗(yàn)室9km 一獨(dú)立山頭的大云霧室組計(jì)劃(第二機(jī)械工業(yè)部311 工程)啟動(dòng)，它計(jì)劃以一個(gè)1.2m上云室作靶室并測(cè)初粒子的游離，以一個(gè)1.5m磁云室作中云室測(cè)粒子動(dòng)量(最大可測(cè)動(dòng)量小于0.1TeV)，以一個(gè)1.7m×2.0m 多板室作下云室觀測(cè)次粒子的次級(jí)效應(yīng)以分辨其性質(zhì)．在50 年代，這應(yīng)是國(guó)際上最大、最完善的一套云霧室組合了．但是經(jīng)過(guò)“三年困難時(shí)期”的下馬，拖到1965 年下半年才建成，并由錢(qián)三強(qiáng)先生(所長(zhǎng))上山宣布了中國(guó)科學(xué)院原子能研究所云南站(以下簡(jiǎn)稱“云南站”)的成立(見(jiàn)圖1，圖2)．不巧又遇上“文化大革命”十年動(dòng)亂，除1972 年的“一個(gè)可能的重粒子事例”外沒(méi)有多少工作面世．與此同時(shí)，國(guó)際上的高能加速器已逼近了我們大云霧室剛剛觸及的TeV 能區(qū)．隨著“文化大革命”政治硝煙的逐漸散去，當(dāng)我們回過(guò)頭來(lái)關(guān)心研究工作時(shí)，已經(jīng)與國(guó)際水平拉開(kāi)了很大的差距，我國(guó)宇宙線研究正在自我邊緣化的不安感就日益強(qiáng)烈了起來(lái)．要挽回頹勢(shì)，實(shí)現(xiàn)復(fù)興，就必須正視現(xiàn)實(shí)，在充分了解相關(guān)學(xué)科的國(guó)際發(fā)展態(tài)勢(shì)、技術(shù)進(jìn)步狀況和自身特長(zhǎng)的基礎(chǔ)上，找到新的主攻方向和實(shí)驗(yàn)手段，用10 到20 年時(shí)間的埋頭苦干打基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)我國(guó)宇宙線研究的現(xiàn)代化和國(guó)際化，并重新站到學(xué)科的國(guó)際前沿．
2 發(fā)展方向的求索
發(fā)明于1912 年的威耳遜云霧室(Wilson 因此獲1927 年諾貝爾獎(jiǎng))，以其徑跡室的特點(diǎn)，在上世紀(jì)30至50年代為宇宙線觀測(cè)立下了汗馬功勞，人類最先知道的一批基本粒子的發(fā)現(xiàn)都直接與它相關(guān)．然而，由于它手工操作、接收度小、死時(shí)間長(zhǎng)、效率低、難于維護(hù)和大型化等弱點(diǎn)，不僅使它在現(xiàn)代加速器實(shí)驗(yàn)面前失去競(jìng)爭(zhēng)力，而且也在宇宙線實(shí)驗(yàn)的大型化、現(xiàn)代化改造中找不到自己的位置．在加速器能量直逼云南站的宇宙線高能核作用實(shí)驗(yàn)?zāi)軈^(qū)時(shí)，人們不能不為我國(guó)宇宙線研究的未來(lái)?yè)?dān)心．于是利用奉命上山尋找可能存在的重粒子的時(shí)機(jī)，開(kāi)始了對(duì)EAS 實(shí)驗(yàn)的廣泛調(diào)研，也用土辦法對(duì)EAS大氣切連科夫光信號(hào)做過(guò)嘗試性的初步觀測(cè)，試圖窺探進(jìn)入大于100TeV 超高能能區(qū)的途徑．同時(shí)，不少同事也在以各自的視角做著各自的思考．
改革開(kāi)放前夕，醞釀已久的我國(guó)宇宙線研究的自由辯論在中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所三室展開(kāi)．此時(shí)肖健先生已離開(kāi)宇宙線研究領(lǐng)域，投身到加速器實(shí)驗(yàn)研究中去了．辯論沒(méi)有達(dá)成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，倒是促進(jìn)了思想的解放，打破了全室一個(gè)課題、自上而下分配任務(wù)的傳統(tǒng)，開(kāi)始了百花齊放、百家爭(zhēng)鳴的新局面．此后，部分年青人跟著李惕碚轉(zhuǎn)向了空間硬X射線天體物理研究；在林林總總的各宇宙線課題中，任敬儒、陸瑞苓夫婦領(lǐng)頭，霍安祥、況浩懷等鼎力參加的高山乳膠室組最為紅火，后來(lái)發(fā)展成為世界著名的中日合作西藏甘巴拉山( 海拔5500m)高山乳膠室．在EAS 方面，陳映宣等也曾在樓頂布了10 塊閃爍體，但由于專業(yè)性不足，沒(méi)法給出簇射的任何EAS 基本參數(shù)，我們?nèi)匀恢荒?/span>被告知某時(shí)刻這附近來(lái)了一個(gè)EAS，而全然不知道它來(lái)自哪個(gè)方向，是大是小，中心落在哪里，更不用說(shuō)其具體形態(tài)了．因此認(rèn)識(shí)到：要在祖國(guó)大地開(kāi)展真正的EAS 研究，首先必須創(chuàng)建具備基本功能的EAS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)．
1980 年初，我幸運(yùn)地被公派到日本東京大學(xué)宇宙線研究所，參加新建成不久的當(dāng)時(shí)國(guó)際上最先進(jìn)的明野(Akeno)EAS 陣列的觀測(cè)和數(shù)據(jù)分析工作．張文裕先生(時(shí)任中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所(以下簡(jiǎn)稱高能所)首任所長(zhǎng))還為我指定了一個(gè)導(dǎo)師，就是日本核物理之父仁科先生的末代弟子、以電磁作用和NKG函數(shù)聞名的鐮田甲一(K. Kamata)先生．在當(dāng)時(shí)中日友好的氣氛下，該所第一次有了我和沈培若兩位中國(guó)學(xué)者，到處都是好奇和友善的目光．我因此很快溶入了這個(gè)國(guó)際學(xué)術(shù)環(huán)境，常有機(jī)會(huì)與當(dāng)時(shí)日本的幾位宇宙線頭面人物三宅三郎、西村純一和鐮田甲一小聚，并與俁野恒夫(曾是印度科拉金礦地下實(shí)驗(yàn)的先驅(qū)，Chacaltaya EAS陣列與乳膠室聯(lián)合實(shí)驗(yàn)的負(fù)責(zé)人)和EAS 大氣熒光實(shí)驗(yàn)先行者之一的棚橋五郎先生成了忘年交．加上與同組的永野元彥、木舟正等共事，與乳膠室組的湯田利典、笠原克昌、鳥(niǎo)居祥二、初級(jí)宇宙線組的山越和雄等中生代實(shí)力派人士經(jīng)常碰面，十分有助于我對(duì)前沿信息的獲取和科學(xué)視野的開(kāi)闊和提升． 對(duì)國(guó)際前沿的了解和對(duì)EAS 實(shí)驗(yàn)的逐步熟悉，幫我明白了兩件事：(1)在當(dāng)時(shí)我國(guó)有限的國(guó)力和技術(shù)條件下，在宇宙線觀測(cè)的空間、地面和地下(或水下)三種方式中，我國(guó)的優(yōu)勢(shì)只存在于地面．而在地面觀測(cè)中，高山乳膠室雖正在勢(shì)頭上，然而其被動(dòng)式的性質(zhì)，手工化的處理，難以再擴(kuò)大的曝光面積和事例統(tǒng)計(jì)量不足等根本性弱點(diǎn)，使其在自動(dòng)化大生產(chǎn)的現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)面前已難看到光明前景；而其天然有偏(偏向于記錄質(zhì)子引起的事例)的事例選擇特性和沒(méi)有時(shí)間信息的缺點(diǎn)，又使之很難被用于宇宙線天文觀測(cè)．而傳統(tǒng)的地面EAS 陣列實(shí)驗(yàn)的寬視場(chǎng)、全日制、可長(zhǎng)期持續(xù)高效工作、易于積木式地?cái)U(kuò)大、可覆蓋很寬的能區(qū)、可容納多種探測(cè)設(shè)備的特點(diǎn)，不僅使它可同時(shí)兼容宇觀、微觀和空間環(huán)境的觀測(cè)，還方便于采用現(xiàn)代電子學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)把宇宙線實(shí)驗(yàn)從手工化帶到現(xiàn)代化．(2)我在日本明野的EAS陣列數(shù)據(jù)分析中得出的縱向發(fā)展過(guò)渡曲線[7]，與菅浩一先生用5200m 高的Chacaltaya EAS 陣列的數(shù)據(jù)得到的完全不能相接(我們同時(shí)在1981 年日本物理學(xué)會(huì)廣島春季分科會(huì)上做了報(bào)告)．當(dāng)時(shí)菅先生以超高能作用中存在某種未知重粒子來(lái)解釋兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的分歧，由于那時(shí)只有他們一家能在超高能把曲線做到EAS 發(fā)展極大處，高海拔數(shù)據(jù)獨(dú)此一家的局面，使我品嘗到了某種無(wú)助的苦惱．稍后，特別是回國(guó)與肖健先生暢談后，才明確認(rèn)識(shí)到了這種苦惱聯(lián)系于EAS 在發(fā)展中的漲落及各家EAS 觀測(cè)站小農(nóng)經(jīng)濟(jì)式的建設(shè)和運(yùn)作方式所造成的各家實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的“歸一化困難”(肖先生用語(yǔ))．這又加重了EAS實(shí)驗(yàn)結(jié)果在解釋上的二義性，使原初成分與作用模型互為因果的糾纏長(zhǎng)期不能解脫．上高山和陣列精細(xì)化，應(yīng)是解開(kāi)此死結(jié)的方向之一．
恰巧就在這個(gè)時(shí)候，湯田利典因甘巴拉乳膠室實(shí)驗(yàn)訪問(wèn)西藏回來(lái)，帶給我一個(gè)好消息：他順便去參觀羊八井地?zé)犭姀S時(shí)，看到的那海拔四千多米的地方竟然又寬又平．一個(gè)以北京為起點(diǎn)以西藏為終點(diǎn)的我國(guó)EAS 實(shí)驗(yàn)開(kāi)拓計(jì)劃，就越來(lái)越強(qiáng)烈地激蕩在自己心頭．
3 西藏計(jì)劃的難產(chǎn)
1981 年5 月，當(dāng)我興沖沖地帶著一批自購(gòu)的集成電路器件回到高能所提出我的建議時(shí)，宇宙線室的所有經(jīng)費(fèi)和人力資源已經(jīng)被分配一空．在向肖健先生吐露我的苦惱和計(jì)劃時(shí)，他十分贊同中國(guó)宇宙線研究應(yīng)以高山EAS 為平臺(tái)和突破口，但對(duì)我在缺乏上級(jí)支持的情況下要去西藏表示擔(dān)心．還給我講了當(dāng)年搞第二機(jī)械工業(yè)部311 工程時(shí)的困難和當(dāng)時(shí)他就想建EAS陣列而未敢動(dòng)手的故事．1981 年8月，我以“EAS縱向發(fā)展的統(tǒng)一觀測(cè)”為題向所里申請(qǐng)科研基金，并借我室計(jì)算機(jī)組的房間一角，在該組董玉琚、戴義方的部分參與下，從科研處借了少量資金，開(kāi)始了EAS 陣列用的原型閃爍探測(cè)器的手工試制，并實(shí)現(xiàn)了其與穿孔機(jī)簡(jiǎn)易記錄系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)．
1983 年4 月17 日，高能所學(xué)術(shù)委員會(huì)發(fā)文批準(zhǔn)了毛振麟、李醒夫、譚有恒、唐孝威、顧以藩等申請(qǐng)的5 個(gè)項(xiàng)目，我們的“EAS 縱向發(fā)展的統(tǒng)一觀測(cè)”項(xiàng)目獲得了50 萬(wàn)元的“巨額”資助，三室EAS研究組自此得以成立，正式開(kāi)始了項(xiàng)目的第一階段——在北京建造中國(guó)第一個(gè)EAS 觀測(cè)陣列的工作．除50 個(gè)0.25m2塑料閃爍探測(cè)器是和北京核儀器廠合作研制的外，百多臺(tái)專用電子學(xué)插件等陣列設(shè)備都是采用國(guó)產(chǎn)元器件和材料自行制作而成的．1985 年夏，又獲中國(guó)科學(xué)院基金辦公室(國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)的前身)27 萬(wàn)元院內(nèi)基金支持．1986 年夏，以16 個(gè)探測(cè)器和相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成的全功能試驗(yàn)性小陣列開(kāi)始在高能所樓頂運(yùn)行．1988 年3 月，由分布在120m×100m地面的53 個(gè)動(dòng)態(tài)范圍近104的0.25m2探測(cè)器(其中9 個(gè)有快時(shí)間功能)和相應(yīng)配套系統(tǒng)組成的EAS 陣列在懷柔中國(guó)科學(xué)院綠化基地里建成(見(jiàn)圖3)，開(kāi)始了EAS形態(tài)學(xué)及EAS Size 譜等基礎(chǔ)性觀測(cè)研究．整個(gè)過(guò)程雖讓我們備嘗艱辛，但也因此初步形成了隊(duì)伍，建立了信心，為“西藏計(jì)劃”做了必要的技術(shù)和人才準(zhǔn)備．
這期間，因1983 年Kiel 大學(xué)研究組的一個(gè)不實(shí)報(bào)道，觸發(fā)了一個(gè)國(guó)際性的尋找超高能γ源的十年熱潮，我們因此也為西藏實(shí)驗(yàn)增加了有關(guān)γ源的天文內(nèi)容．1984 年4 月11—30 日，籌劃已久的西藏選址考察得以實(shí)現(xiàn)．為什么要日思暮想地去4000m以上的高山為EAS 陣列找個(gè)安家之地呢？這還得從EAS現(xiàn)象說(shuō)起：
進(jìn)入地球大氣層的高能宇宙線原初粒子不可避免地會(huì)與空氣中的原子核相碰撞，并通過(guò)一系列的相互作用微觀過(guò)程，以大氣為舞臺(tái)，衍生出地球上最為壯觀的多粒子事件——廣延大氣簇射(extensive air shower，EAS)．原則上，世界上各種微觀作用和形形色色的基本粒子都有機(jī)會(huì)在此舞臺(tái)上亮相，其中，強(qiáng)有力的核級(jí)聯(lián)構(gòu)成EAS 的主干，龐大的電磁級(jí)聯(lián)構(gòu)成EAS 的主體．電磁級(jí)聯(lián)主要源于核作用過(guò)程中產(chǎn)生的中性π，它立即衰變成兩個(gè)γ光子，然后γ光子產(chǎn)生正負(fù)電子對(duì)，正負(fù)電子在核場(chǎng)中又韌致輻射出γ光子和電子或正電子，如此雪崩式地發(fā)展下去，形成一個(gè)中心密集邊上稀疏的扁盤(pán)狀粒子團(tuán)，并以光速自空而降(團(tuán)中的粒子數(shù)目依賴于原初能量和觀測(cè)面的高度．對(duì)一個(gè)能量為1000TeV的EAS來(lái)說(shuō)，到達(dá)羊八井高度時(shí)有約百萬(wàn)個(gè)帶電粒子，分布在直徑百多米的“扁盤(pán)”內(nèi))．如果我們?cè)谏先f(wàn)平方米的地面布置足夠數(shù)量和不同類型的粒子探測(cè)器(稱為EAS陣列)作符合取樣，就可測(cè)定這個(gè)EAS的大小(總能量)、方向、電子和μ子等次粒子的時(shí)空分布，并由此倒推其原初粒子和最初幾次核作用中的相關(guān)信息．然而，這個(gè)EAS粒子團(tuán)在大氣層中有其發(fā)生、發(fā)展、極大和衰亡的過(guò)程．在海拔四五千米的地方， 1000—10000TeV(“ 膝區(qū)”)的EAS發(fā)展到極大，在這里粒子數(shù)最多，本征漲落最小，模型依賴最弱，是精細(xì)測(cè)量宇宙線成分和深入膝區(qū)物理的最佳位置(圖4)．同時(shí)因?yàn)槟莾嚎?/span>氣稀薄因而衰減小，許多較小的EAS還得以殘存而被觀測(cè)，從而可天然地降低陣列的探測(cè)閾能，以避開(kāi)宇宙紅外背景對(duì)γ光子的強(qiáng)吸收而延伸γ天文觀測(cè)視界至許多河外天體．然而，并非任何4000m以上的高山都能成為這種大規(guī)模、高技術(shù)設(shè)備的家；我們奔赴“世界屋脊”，就是為了尋找最能發(fā)揮上述物理潛能的高海拔實(shí)驗(yàn)地，把它建成我國(guó)宇宙線研究落腳和起飛的地方．
前期準(zhǔn)備中我們預(yù)定考察3 個(gè)候選地：羊八井、浪卡子和那曲．然而，在念青唐古拉峰下，青藏公路近旁，拉薩西北90km 處的羊八井，一下就把人吸引住了．這是一個(gè)當(dāng)年造山運(yùn)動(dòng)形成的山間斷陷小盆地，西北的大山擋住了北來(lái)的寒流，只東南方開(kāi)一豁口，一條叫堆龍曲的小河由此流向拉薩，接通了印度洋暖濕氣流入藏的雅魯藏布江—拉薩河通道，從而造成這海拔4300m 的盆地內(nèi)氣候溫和、冬少積雪、宜牧宜耕的奇特景象．它寬闊平坦的地形，冬無(wú)積雪的氣候，常年通暢的交通以及有地熱電廠等友鄰單位和常住居民等條件，與國(guó)際上已知3000m以上的高山站的地勢(shì)險(xiǎn)峻、半年大雪封山、孤立山頭、遠(yuǎn)離能源交通干線和人群等通病形成巨大反差，簡(jiǎn)直就是個(gè)上天恩賜的宇宙線觀測(cè)福地．位于赤道附近的南美Chacaltaya 站，雖高至5200m，但只能建在一個(gè)陡坡上，地形嚴(yán)重受限，人員不能留宿，大型設(shè)備難以安置，數(shù)據(jù)質(zhì)量難有保證．于是得出結(jié)論：羊八井是目前所知的全球最佳高山站址．同年5 月，我向宇宙線室和高能所提交了《西藏考察報(bào)告》和去羊八井建站的請(qǐng)求．室里主張去云南站，所里、院里也普遍質(zhì)疑“你們?cè)颇险径嫁k不下還去西藏建站，誰(shuí)來(lái)為你善后？”
所幸1986 年10 月，在豐臺(tái)有個(gè)輪到中方主辦的乳膠室方面的國(guó)際研討會(huì)，在會(huì)議組織者丁林塏的支持和協(xié)助下，特意邀請(qǐng)了一些國(guó)際知名的EAS研究學(xué)者，組織了一個(gè)西藏計(jì)劃研討會(huì)(Tibet Project Workshop)，并參觀了我們的樓頂試驗(yàn)陣列．我國(guó)EAS 研究已然起步的事實(shí)和羊八井地理優(yōu)勢(shì)，使得在羊八井建造一個(gè)包含μ子探測(cè)器的復(fù)合型EAS陣列的方案得到了同行的認(rèn)同．與會(huì)的日本湯田利典(代表日本富士山乳膠室合作組)、意大利的B. D’Ettorre Piazzoli 以及美國(guó)的G. B. Yohd 等先后表態(tài)參加，會(huì)后還商定了分工，專等中方啟動(dòng)西藏建站工作．然而，雖有國(guó)際上的合作承諾和霍秉泉、王綬琯等前輩的親筆信支持，上報(bào)中國(guó)科學(xué)院的《建立西藏宇宙線觀測(cè)站的建議》仍是久無(wú)下文．由于我們遲遲不能啟動(dòng)，美方和意方的潛在合作者分別搞起了他們的MILAGRO 和EAS-TOP計(jì)劃．終于認(rèn)識(shí)到，走云南站那樣的建站路線已完全沒(méi)有可能，必須尋求民間道路，先啟動(dòng)起來(lái)并以小步走的方式在成長(zhǎng)中去逐步求得承認(rèn)．
好事多磨，機(jī)會(huì)終于來(lái)了．1988年3月，鳥(niǎo)居祥二帶來(lái)了個(gè)好消息：湯田申請(qǐng)到2千萬(wàn)日元的科學(xué)基金．4月12—24日，我與博士生戴宏躍就急急奔赴羊八井具體選址，并與羊八井地?zé)衢_(kāi)發(fā)公司和西藏大學(xué)分別簽署了“協(xié)助建站意向書(shū)”，又在成都與西南交通大學(xué)物理系草簽了“合作意向書(shū)”．不久，葉銘漢所長(zhǎng)欣然決定將處理云南站金屬材料所得的20萬(wàn)元作為所長(zhǎng)基金撥給我組作建站之資．7 月下旬，日方甲南大學(xué)坂田通德教授專程訪華，在他參觀懷柔站期間，我們敲定了起步陣列的初步方案．次年5 月，羊八井觀測(cè)站正式破土動(dòng)工．而日方的探測(cè)器、電子學(xué)設(shè)備訂貨也已陸續(xù)到達(dá)東京大學(xué)宇宙線所乳膠室組．
4 跋涉在念青唐古拉峰腳下
為了趕在8 月份開(kāi)始在羊八井安裝布陣，1989年5 月19 日我與王輝前往東京大學(xué)宇宙線所參與設(shè)備的系統(tǒng)檢驗(yàn)和包裝發(fā)運(yùn)．不幸，由于政治原因，我們毅然于6月9日飛回北京．巨大的科學(xué)熱情促使雙方達(dá)成絕不放棄一絲希望的默契．10 月份，當(dāng)國(guó)際接觸剛被解禁就組織海陸聯(lián)運(yùn)并堅(jiān)持立即施工．近20 名中日科技人員不畏冬寒在海拔4300m的野外實(shí)施電纜布設(shè)、探測(cè)器組裝測(cè)試和安裝調(diào)試等野外作業(yè)， 一鼓作氣建成了一個(gè)由45 個(gè)0.5m2、16 個(gè)0.25m2閃爍探測(cè)器組成的小型EAS 陣列ASγ-I．小陣列于1990 年1 月10 日開(kāi)始試觀測(cè)，并在當(dāng)時(shí)西藏自治區(qū)副主席圖道多吉的見(jiàn)證下宣布了“羊八井宇宙線觀測(cè)站”的問(wèn)世(圖5)．得益于羊八井的高山優(yōu)勢(shì)，在當(dāng)時(shí)國(guó)際上十來(lái)個(gè)γ天文陣列中，它的規(guī)模雖小，卻以最低的閾能、次高的觸發(fā)率擠身世界次席，僅次于諾貝爾獎(jiǎng)得主J. W. Cronin 主持的美國(guó)CASA-MIA陣列．
1990 年3 月初，來(lái)自高能所、西藏大學(xué)(趙春華等)、西南交通大學(xué)(焦善慶等)、云南大學(xué)(木均等)的相關(guān)學(xué)者在成都集會(huì)，介紹羊八井實(shí)驗(yàn)，組織γ射線天文學(xué)講座，宣告了羊八井實(shí)驗(yàn)中方合作委員會(huì)的成立．不久，山東大學(xué)張乃健等、鄭州大學(xué)孫洛瑞等、云南大學(xué)高曉宇等也相繼加入．一個(gè)沒(méi)有行政班子、由科技人員自發(fā)組織、低成本運(yùn)作的體制初步建立了起來(lái)．同時(shí)隨著觀測(cè)站的鞏固及初期成果的出現(xiàn)，羊八井得天獨(dú)厚的高海拔優(yōu)勢(shì)，在贏得國(guó)際關(guān)注的同時(shí)，也獲得了領(lǐng)導(dǎo)的認(rèn)可．在1988 年民間意向協(xié)議的基礎(chǔ)上，1992 年，中日羊八井合作備忘錄為中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所和日本東京大學(xué)宇宙線研究所雙方所長(zhǎng)正式簽署．自1991 年6 月國(guó)家自然科學(xué)基金委數(shù)理學(xué)部主任王鼎盛等專程訪問(wèn)羊八井觀測(cè)站以來(lái)，我們連續(xù)幾期獲得基金委重點(diǎn)課題支持．雖然那時(shí)中日雙方的經(jīng)費(fèi)投入比低至1∶8，增加了掌握實(shí)驗(yàn)主導(dǎo)權(quán)的困難，卻也使觀測(cè)站從此步入了穩(wěn)步良性發(fā)展的軌道：1994 年的ASγ陣列二期擴(kuò)建，1996 年80m2乳膠室的加入和陣列探測(cè)器的局部加密，1998 年太陽(yáng)中子監(jiān)測(cè)器和中子望遠(yuǎn)鏡分別自日本理化所和名古屋大學(xué)的引入，1999—2001 年ASγ陣列的三期擴(kuò)建和完善等跑步前進(jìn)似的動(dòng)作，構(gòu)成了十年持續(xù)發(fā)展的大好局面(見(jiàn)表1)．它把傳統(tǒng)的EAS工作能區(qū)向下拓寬了近百倍，創(chuàng)造了EAS觀測(cè)歷史上最高的事例收集率． 其在宇宙線太陽(yáng)陰影、Crab、Mrk501、Mrk421γ輻射及宇宙線膝區(qū)能譜等方面重要成果陸續(xù)出現(xiàn)，更證明了當(dāng)初選擇EAS 手段和羊八井站址的正確．
其中1994 年的擴(kuò)建雖已將探測(cè)器間距15m的區(qū)域擴(kuò)展至28000m2，徹底排除了Kiel 組報(bào)道的Cygnus-X3 為超高能γ源的“發(fā)現(xiàn)”，但直到10TeV時(shí)，也沒(méi)能看到已被大氣切連科夫成像望遠(yuǎn)鏡(IACT)在0.1TeV 能區(qū)看到的蟹狀星云(Crab)的穩(wěn)定γ發(fā)射．我們主張進(jìn)一步加密陣列和日方堅(jiān)持在陣列中加入乳膠室的分歧，終于在1996 年杭州會(huì)議上達(dá)成和解：二者同時(shí)并進(jìn)．當(dāng)年就以77 個(gè)新探測(cè)器將陣內(nèi)一塊約5000 m2的區(qū)域加密至探測(cè)器間距7.5m(粒子取樣比由0.4%增至1%)，稱之為高密度陣列．不久，就在3TeV得到了Crab 為γ源的確切結(jié)果(國(guó)際EAS陣列的首次)．這次加密的立竿見(jiàn)影效果，堅(jiān)定了我們啟動(dòng)羊八井地毯式陣列計(jì)劃[8]的決心．
實(shí)際上，當(dāng)中日合作ASγ陣列剛于上世紀(jì)90 年代初投入觀測(cè)不久，就傳來(lái)了空間探測(cè)器(CGRO衛(wèi)星上的EGRET高能γ望遠(yuǎn)鏡)γ源大豐收的消息．一時(shí)間國(guó)際上許多熱極一時(shí)的超高能γ天文陣列陸續(xù)退出舞臺(tái)，人們紛紛轉(zhuǎn)向空間，轉(zhuǎn)向以IACT為手段的地面高能γ天文．只有美國(guó)MILAGRO計(jì)劃和我們羊八井還堅(jiān)持在EAS 粒子陣列戰(zhàn)線上，以各自不同的改革思路降低閾能、發(fā)揮粒子陣列全天候?qū)捯晥?chǎng)的優(yōu)勢(shì)，力爭(zhēng)在甚高能區(qū)與下一代空間實(shí)驗(yàn)相銜接、相補(bǔ)充地參與γ 天文研究． 與MILAGRO 計(jì)劃以池中水為切連科夫光產(chǎn)生體來(lái)充分利用EAS 中的高能光子成分的路線不同，依仗羊八井的高海拔并顧及到除γ天文外的多項(xiàng)物理目標(biāo)，我們提出了將傳統(tǒng)的粒子多點(diǎn)取樣陣列發(fā)展為全覆蓋(即“地毯”)式陣列，以大幅降低閾能、提高探測(cè)靈敏度的建議，并與意大利學(xué)者合作于1993 年開(kāi)始了將其RPC(高阻平板室)探測(cè)技術(shù)用于建造羊八井地毯式陣列(ARGO計(jì)劃)的7 年未經(jīng)立項(xiàng)的預(yù)先研究．1997 年冬至1998年春，在羊八井成功進(jìn)行了50m2 RPC 地毯的可行性試驗(yàn)后，終于在2000 年12 月獲得了國(guó)家立項(xiàng)及3400 萬(wàn)元的巨額支持，正式啟動(dòng)了“地毯”建設(shè)工程．在克服了諸如2003 年的“非典”停頓和遭一個(gè)巨大EAS 的超高密集粒子群轟擊而導(dǎo)致的返工等困難后，5000m2 的ARGO 一期地毯(見(jiàn)圖6)于2006 年年中投入正式運(yùn)行．它把傳統(tǒng)的EAS 陣列小于1%的取樣比一舉提高到93%，從而在超高能端為逐個(gè)事例地精細(xì)測(cè)定EAS 粒子分布以攻堅(jiān)“膝區(qū)物理”提供了可能；同時(shí)又大幅度降低了探測(cè)閾能，為實(shí)現(xiàn)與IACT和大型空間高能γ實(shí)驗(yàn)直接對(duì)接創(chuàng)造了條件．曾是羊八井弱項(xiàng)的通信困難(最初連電話也不通，通信靠電報(bào)聯(lián)絡(luò)，數(shù)據(jù)靠磁帶空運(yùn))，也隨著2005 年羊八井與高能所之間8MB 和2006 年155MB 寬帶網(wǎng)的開(kāi)通而成為歷史，ARGO陣列的遠(yuǎn)程監(jiān)控及其海量數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程在線傳輸?shù)靡?/span>完全實(shí)現(xiàn)．一個(gè)現(xiàn)代化、國(guó)際化的宇宙線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)就此成形，標(biāo)志著我國(guó)的宇宙線研究自云霧室、手工化向規(guī)�；托畔⒒D(zhuǎn)型并躋身世界前列的歷史任務(wù)基本完成．
通過(guò)20 多年的持續(xù)努力，羊八井作為中國(guó)宇宙線研究的新一代承接地和國(guó)際上在常年運(yùn)行的、海拔最高的現(xiàn)代化宇宙線觀測(cè)平臺(tái)終于成型[9](見(jiàn)圖7)，并自2002 年、2004 年以來(lái)逐步實(shí)現(xiàn)了隊(duì)伍的新老交替．羊八井二陣列關(guān)于活動(dòng)星系核Mrk421多次γ爆發(fā)的完整的觀測(cè)(它們與空間X射線觀測(cè)相同步，與空間γ射線實(shí)驗(yàn)在0.3TeV 能區(qū)的觀測(cè)相銜接、相補(bǔ)充)，以及基于ASγ陣列多年事例積累的、迄今最精細(xì)的宇宙線各向異性分布天圖及其導(dǎo)致的宇宙線流與太陽(yáng)一道繞銀心公轉(zhuǎn)的結(jié)論(曾獲2005年度中國(guó)科學(xué)院十大創(chuàng)新成果殊榮)等優(yōu)異成果[10—14]的不斷涌現(xiàn)，羊八井的知名度正在提高，在這個(gè)國(guó)際級(jí)的平臺(tái)上，中方的人才正在快速成長(zhǎng)．然而，即使在國(guó)家富強(qiáng)、盛名遠(yuǎn)播的當(dāng)今，歷史的軌跡也須被知曉和尊重，從中可以總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)、汲取精神力量，激發(fā)傳承和發(fā)展的歷史使命感．回顧在念青唐古拉峰下的這段跋涉，有幾點(diǎn)體會(huì)愿與大家分享：
(1)羊八井得天獨(dú)厚的高海拔優(yōu)勢(shì)是天賜的科學(xué)資源，其寬闊平坦的地形、暢通的公路鐵路、現(xiàn)代的通信、就近的電廠和既有的設(shè)施是開(kāi)發(fā)這些科學(xué)資源的優(yōu)越條件，而為世界上4000m以上高山所絕無(wú)僅有．20 多年前，EAS 實(shí)驗(yàn)還只能在100TeV以上的超高能區(qū)進(jìn)行，羊八井的出世徹底改變了這種局面．正是依靠羊八井的地理優(yōu)勢(shì)和密集型陣列，才將EAS 傳統(tǒng)的工作能區(qū)向下擴(kuò)展了數(shù)百倍(事例觸發(fā)記錄率比云南站時(shí)期提高了萬(wàn)倍)，實(shí)現(xiàn)了與IACT乃至大型空間γ實(shí)驗(yàn)的無(wú)縫銜接，并使利用宇宙線月亮陰影的地磁偏移成為可能，從而為陣列的方向測(cè)定的標(biāo)定和宇宙線反質(zhì)子豐度的測(cè)量，找到了簡(jiǎn)易公正的新方法．羊八井既代表我們特有的優(yōu)勢(shì)，也是個(gè)潛力未盡的科學(xué)“礦藏”，是我們藉以在國(guó)際較量中獲取相對(duì)優(yōu)勢(shì)和吸引國(guó)際合作、調(diào)動(dòng)國(guó)際資源做大做強(qiáng)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)．因此在學(xué)科方向和具體課題選擇上要緊緊扣住羊八井的高海拔特點(diǎn)，著力進(jìn)一步開(kāi)發(fā)其相應(yīng)的物理潛能，并倍加愛(ài)護(hù)羊八井這個(gè)品牌．
(2)宇宙線觀測(cè)，特別是與天文和空間環(huán)境相關(guān)的觀測(cè)，具有天文臺(tái)那樣的長(zhǎng)期持續(xù)的特性，對(duì)許多目標(biāo)天體的日常監(jiān)測(cè)要世世代代地做下去．觀測(cè)站可以托一個(gè)課題而生，而不能隨一個(gè)課題而死．許多天文現(xiàn)象和環(huán)境變化具有突然性(爆發(fā)現(xiàn)象)，EAS陣列的寬視場(chǎng)和全日制特性相對(duì)于指向跟蹤的望遠(yuǎn)鏡有無(wú)可爭(zhēng)辯的優(yōu)勢(shì)，問(wèn)題是科研人員要耐得住性子，持之以恒，而不可以急功近利、打一槍換一個(gè)地方；主管領(lǐng)導(dǎo)也要對(duì)此有足夠的認(rèn)識(shí)，對(duì)羊八井觀測(cè)站應(yīng)給予天文臺(tái)那樣的日常待遇．
(3)羊八井平臺(tái)創(chuàng)建的成功得益于羊八井的地理優(yōu)勢(shì)、國(guó)家和西藏的現(xiàn)代化進(jìn)程、國(guó)際國(guó)內(nèi)合作、變而不散的隊(duì)伍．早期的國(guó)際合作在解決資金、高技術(shù)設(shè)備和中方人員在國(guó)際環(huán)境中的成長(zhǎng)上起過(guò)重要作用(每年都有十幾人次的人員派出)．即使在中國(guó)已成世界老二的今天，利用國(guó)際合作調(diào)動(dòng)國(guó)際優(yōu)質(zhì)資源和發(fā)揮地方積極性，仍是快速發(fā)展的必要舉措．
(4)作為大國(guó)，從戰(zhàn)略上講，宇宙線三大屬性(宇觀、微觀和環(huán)境)我們都應(yīng)涵蓋．羊八井的高海拔優(yōu)勢(shì)和我國(guó)航天事業(yè)的快速發(fā)展，使我們?cè)诠タ?/span>“膝區(qū)物理”這一老大難問(wèn)題以及太陽(yáng)粒子與空間環(huán)境變化的監(jiān)測(cè)上有了不可推卸的責(zé)任．構(gòu)建以ARGO地毯為中心的精密復(fù)合陣列最終是要提上日程；而以穩(wěn)定的經(jīng)費(fèi)和人員堅(jiān)持現(xiàn)有的太陽(yáng)中子監(jiān)測(cè)器、中子望遠(yuǎn)鏡和自制的中子μ子復(fù)合望遠(yuǎn)鏡的常年運(yùn)行，則是眼前的事．同時(shí)也不能忘記2003年路甬祥院長(zhǎng)視察時(shí)的期望，向多學(xué)科交叉研究和有應(yīng)用前景的方向探索．這許多工作自然不可能由一個(gè)研究組完成，而應(yīng)將羊八井作為全國(guó)和國(guó)際共同利用的實(shí)驗(yàn)中心．為此，它的主陣列須是基礎(chǔ)型、通用型的，既能提供各種EAS 參數(shù)，又便于積木式的擴(kuò)展和為不同課題添加專用設(shè)備．如此將不愁沒(méi)有八方神仙到來(lái)．
(5)在羊八井事業(yè)蒸蒸日上的時(shí)候，我們自然想起了為我們播種、引我們?nèi)腴T(mén)的前輩大師；想起在高海拔條件和出國(guó)大潮反復(fù)沖擊下堅(jiān)持長(zhǎng)期艱苦奮斗(直到2006 年，站里連一輛汽車都沒(méi)有)的同事；想起20年長(zhǎng)期留守山上、干著高級(jí)工程師和副站長(zhǎng)份內(nèi)的工作、享受著農(nóng)民工一樣的待遇的合同工陳文一和他的三位同事，尊敬和感激油然而生．正是包括他們?cè)趦?nèi)的群體奉獻(xiàn)，促成了羊八井站的橫空出世和中國(guó)宇宙線研究春天的到來(lái)．
在慶祝宇宙線發(fā)現(xiàn)一百年也是我國(guó)本土宇宙線研究60 年的時(shí)候，我們可以告慰張文裕等前輩科學(xué)家：后輩們沒(méi)有忘記您們的遺愿，如今已再?zèng)]有人說(shuō)中國(guó)宇宙線研究是零了；大師們?cè)缒暝趪?guó)內(nèi)播下的種子，業(yè)已在雪域高原生根開(kāi)花；跋涉在念青唐古拉峰下的腳步，定會(huì)永遠(yuǎn)向前．
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[2] Chao C Y. Phys. Rev.，1930，36：1519
[3] Li Bing An，Yang C N. International Journal of Modern Physics，1989，Al4：4325.文中引用的安德森1983年在《The Birth of Particle Physics》書(shū)中的話“…Dr. Chung-Yao Chao，working in a room close to me，was using an electroscope to measure the absorption and scattering of Gamma rays from THC”. His findings interested me greatly…”，及早川幸男1980年在日本《自然》雜志上轉(zhuǎn)述的奧恰里尼和他的談話：“Occhialini spoke highly of Chao’s achievements and mentioned how his study of the anomalous absorption of THC”Gamma-rays triggered off their related research even in England.”
[4] Blackett P M S，Ochialini G P S. Proc. Roy. Soc.，1933，A139：699. 該文在引用趙先生的文獻(xiàn)[2]時(shí)，錯(cuò)誤地將其發(fā)表日期推遲了一年，并放在關(guān)于“反常吸收”的別的引文的后面．實(shí)際此文說(shuō)的是發(fā)現(xiàn)“附加輻射”(即γ的電子對(duì)產(chǎn)生)，且測(cè)出此附加輻射射線的波長(zhǎng)正好相當(dāng)于他們兩年后測(cè)得的一個(gè)電子的質(zhì)量
[5] 1999 年，前諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)獎(jiǎng)主席Ekspong 再次訪華時(shí)說(shuō)：“疏漏了趙忠堯先生的歷史功績(jī)是一件令人不安、無(wú)法彌補(bǔ)的事．”——高能所《粒子天體物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)史》
[6] 王淦昌，鄭仁圻，呂敏．物理學(xué)報(bào)，1955，11：421
[7] Tan Y H et al. ICR-Report-99-82-2；Apr. 20，1982
[8] 譚有恒．高能物理和核物理，1999，23(2)：103
[9] 譚有恒．天文學(xué)進(jìn)展，2003，(4)：318
[10] Ameromri M et al. APJ，2003，598：242
[11] Aielli G et al. APJ，2010，714：L208
[12] Bartoli B et al. APJ，2010，734：110
[13] Chen S Z et al. Proc. 32nd ICRC，‘ICRC 1007.div’，2011，Beijing
[14] Amenomori M et al. Science，2006，314：439
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