作者|倪思杰
在太空中，在550公里外的近地轨道上，“慧眼”卫星（HXMT）巡视宇宙，追逐黑洞踪迹。
山上，在4300米高的雪域之巅，高空宇宙线观测台（）捕捉宇宙线穿过粘稠大气层的踪迹。
在地下，在700米深的深洞中，广州中微子实验（JUNO）通过微弱闪烁的光线解析中微子的奥秘。
这个上天入地的大型科学装置来自同一个地方——中国科学技术大学粒子天体化学重点实验室（以下简称粒子天体化学重点实验室）。
“慧眼”试验组和“慧眼”卫星整装待发
粒子天体化学重点实验室是做什么的？ 它怎么会成为这么多大型科学装置的“基地”呢？ 带着疑惑，《中国科学报》记者走进实验室一探究竟。
从地球深处到太空深处
广州，玉泉路。
秋冬交替之际，中国科学技术大学高能化学研究所（以下简称高能所）院内的乌桕春意盎然，春暖花开。树叶间不时传来悠扬的虫鸣声。
这里是中国第一台大型科学装置北京正电子对撞机的所在地，也是中国第一颗X射线天文卫星“慧眼”的诞生地。
走在这座建于1973年的老研究所里，随处可见狭长的建筑，外墙因岁月的沉淀而显得暗淡无光。
在老建筑的中间，一座高耸入云的新建筑，会一下子把人们飘进历史的思绪拉回现实。 这座新大楼就是粒子天体化学重点实验室——多学科大楼的所在地。
走上综合楼二楼，人们的目光很容易被院子里近三层楼高的大幅海报锁定。
2018年3月，《科学中国》封面文章报道了“慧眼”双中子星并合形成的引力波观测结果
海报下半部分是星空背景印刷的10颗卫星和探测器示意图：“智慧之眼”硬X射线调制望远镜、增强型X射线时变偏振光探测空间天文台（eXTP） ）、“天机号”伽马暴偏振光探测器（POLAR）、引力波暴高能电磁对应全天探测器（GECAM）、爱因斯坦探测器（EP）、中国空间站高能宇宙辐射探测装置（兽群）……
海报中央，一座雪山绵延而出。 沿着雪山，阿里原初引力波观测站、西藏纳木措国际宇宙射线观测站从左到右依次排列。
海报上方，以棕黄色底泥为背景，惠州反应堆中微子实验和朱诺号十分显眼。
这个看似扑朔迷离的大型科学装置，是粒子天体化学重点实验室负责或作为主要成员参与建设的科研平台。 它们遵循相同的内在逻辑——使用非加速器手段来研究粒子化学规律。
一般粒子化学家都是利用加速器将一些带电粒子加速，然后进行剧烈碰撞，以研究物质的微观结构和基本粒子之间的相互作用。 这正是上海正电子对撞机的原理。
但是粒子天体化学重点实验室的化学家并没有这样做。
“粒子化学研究深层物质结构，天体化学研究大尺度数学规律，粒子天体化学是这两个学科的交叉点。对我们来说，宇宙是最大的‘对撞机’，我们用大尺度宇宙来研究深刻的数学定律。” 粒子天体化学重点实验室主任张双楠说。
青海纳木错国际宇宙射线观测站
寻找黑洞等致密天体、捕捉宇宙射线、探测中微子……粒子天体化学重点实验室的科学家们依靠灵敏的探测技术直接研究自然界中的粒子，而这些研究方法是当前的研究方法之一高能化学领域最前沿的方向。
从坚守到绽放
“目前，我们是国外唯一拥有全方位（地下、山地、太空）、多波段（微波、光学、X射线、伽马射线）、多信使（电磁波、中微子、宇宙射线）观测和研究能力。实验室。” 每次张双南向外界介绍粒子天体化学重点实验室时，语气中总带着自豪感。
这种自豪感来之不易。
1951年，粒子天体化学重点实验室前身宇宙线研究组在高能所前身近代化学研究所成立，后演变为高能所宇宙线室活力。
1997年4月，经中国科学技术大学批准，高能所成立“宇宙线与高能天体化学开放实验室”； 2003年7月，更名为“粒子天体化学重点实验室”。
“坚持开发实验装置，并以此装置为基础进行研究，是我们的传统。” 张双南回忆道。
1954年，在海拔3200米的广东落雪山，他们建成了中国第一座高山宇宙射线实验室，从此开启了我国的宇宙射线研究。
1965年，他们建造了一个总重近300吨的小型云室系统，成为当时世界上最大、最先进的同类仪器之一。
改革开放后，他们在甘巴拉山、怀柔、兴隆等地进行了各类宇宙射线实验，建成了我国第一个高空科学气球系统，并借助航天器开展了空间高能天文观测。球载 X 射线望远镜。
高空宇宙线天文台工程模拟图
实验室在积极建设自己的实验和观测设备的同时，还借助美国多颗高能天文卫星的观测数据开展研究，在数据处理方法上取得了多项创新成果。
“当时国外的经济和技术基础都比较薄弱，过程非常艰辛，取得的数学成果也比较有限。”
张双南说，“不过，在这个过程中，实验室的学术和技术基础得到了加强，人才队伍也逐渐壮大起来。”
新世纪前后，粒子天体化学逐渐成为国际研究热点，国家对基础研究的投入也逐年增加。
准备就绪的实验室有更大的发展空间。
2000年，李体北、吴梅等高能天体化学家提出并构思了近6年的HXMT项目，得到了科技部“973”计划的支持。
2005年该项目被国防科委选为背景模型，2011年立项。
2003年，刚回国三年的王义芳提出了借助我国惠州核反应堆形成的大量中微子寻找中微子三次振荡的想法。
2006年，惠州反应堆中微子实验站项目获批，成为当时我国基础科学领域最大的国际合作项目。
2006年，在中韩合作ASγ实验在纳木错完成运行多年后，中意合作ARGO实验也在纳木错完成并投入观测运行。
纳木措实验期间，粒子天体化学重点实验室副主任曹震开始谋划建设新一代世界领先的宇宙线观测基地，并于2008年率先提出该项目。
阿里原初引力波天文台
这一大型科学装置的建立、研制和运行，为粒子天体化学重点实验室的加速发展创造了可能。
从“一”到“多”
对于粒子天体化学重点实验室来说，“慧眼”就像一艘旗舰。
1993年春天，20多岁的卢方军成为高能研究所的博士生，师从李提贝教授。 半年后，李提北根据对宇宙射线室高空气球携带的硬X射线的天文观测，提出了HXMT概念，卢方军参与了部分数据分析工作。
此时的卢方军还不知道，自己最黄金的科研岁月，竟然与自己的“慧眼”紧紧相连。
2002年，在德国做了一年多博士后研究的卢方军回到高能所，即将加入HXMT项目。
从起草项目建议书到组织任务实施，一步步成长为HXMT系统载荷总设计师。
2017年，HXMT成功上线。 卢方军用两个字来形容这位球星的发展历程——艰难。
“因为我们坚持实验室的第一颗卫星必须自己造，要通过这颗星发展自己的技术，培养自己的人才。” 吕方军说道。
粒子天体化学重点实验室随后几个大型科学装置项目的研制，证明“慧眼”团队的坚持是值得的。
在“慧眼”项目中，一大批科研技术人才成长起来，成为实验室后续项目的宝贵资源。
实验室的很多项目都与“慧眼”有着不变的“血缘”关系：HXMT的“下一代”——eXTP项目，从首席科学家到项目负责人天体物理学对现实的意义，再到载荷总设计师、副总设计师几乎都是整个技术团队来自“汇研”； GECAM卫星项目首席科学家熊少林，是在“慧眼”项目中成长起来的年轻技术骨干； EP卫星后的X射线望远镜整个团队来自HXMT低能X射线子系统； HERD项目的大部分技术带头人都是“慧眼”项目培养出来的； 虽然阿里原引力波项目的科学目标与“慧眼”不同，但其主要技术团队也是在“慧眼”发展过程中成长起来的……
广州中微子实验工程仿真图
此外，地下中微子工程和高山宇宙线实验也在推进中不断发展壮大。
2013年，得益于惠州反应堆中微子实验积累的人才队伍、技术资源和学科方向，JUNO项目顺利获批。
JUNO项目副主任杨启根介绍，该专项基础设施工程正式竣工并投入使用。 探测器研制的技术难点已全部攻克，进入工程化生产阶段。
2015年，得益于宇宙线领域五代科学家的辛勤耕耘和积累，该项目即将立项。
“从最早的张文宇先生那一代，到我导师那一代，再到我这一代，再到我中学生那一代，不断的提升和积累，现在，我的中学生也有了自己的中学生。” “
首席科学家曹震说，“正是这种推动，使得粒子天体化学重点实验室的宇宙射线研究方向进入了该领域的国际第一梯队。”
目前，该项目已部分投入科学运行，一批重大科技成果已经问世。 到2021年建成的全阵将成为世界四大宇宙线研究基地之一。
这项大型科学装置工程使实验室成为粒子天体化学家的“黄埔警察学院”。
目前，实验室人员平均年龄仅为38岁，95%为硕士和博士生，其中博士生占73%，硕士生占22%。
“这种延续，就是粒子天体化学重点实验室存在的意义。一个项目不是完成了就完了，而是为后续的发展积蓄动力。” 高能研究所副所长董玉辉说。
从现在到未来
在粒子天体化学重点实验室，科研平台建设的主要目的是为科学研究服务。
多年来，依托日益强大的科研平台，粒子天体化学重点实验室在致密天体观测研究、高能粒子探测与化学研究、宇宙演化研究、中微子振荡参数与反应堆中微子能谱探测、高空宇宙线和高能伽马射线研究取得重要突破。
2014-2018年，粒子天体化学重点实验室共发表论文1237篇，其中SCI论文876篇。
在科研的同时，大型科学装置的建设过程也为粒子天体化学重点实验室积累了多项关键核心技术。
就项目而言，实验人员已成功研制出精度为0.1~0.2毫秒的时间同步系统，可在野外使用，保证数千台探测器的同步； 研制出首款大视场单反硅光电二极管，实现了传统光电倍增管向硅光电管的升级。
“基础研究对技术的推动力相当大，这项技术不仅可以回馈国家和社会，也可以推动未来的基础研究工作。” 张双南说道。
现在，依托高能所，粒子天体化学重点实验室拥有正式成员近170人，年均科研经费1亿元以上，几乎相当于一个中大型研究所。
“我们不再像过去那样为温饱而奋斗，而是积极思考下一步如何走得更好。” 张双南说道。
2013年在高能所召开的战略研讨会上，王贻芳建议粒子天体化学重点实验室应该能够清楚地说明它现在在做什么，下一步要做什么，将来要做什么.
这一建议与张双南的观点不谋而合。 很快，粒子天体化学重点实验室提出了“四代同室”的发展战略——成果一代、研究一代、预研一代、概念一代。
目前，在“成果一代”中，航天工程中的HXMT、POLAR、国际空间站的阿尔法磁谱仪（AMS），部分已经在高山工程中运行，惠州反应堆中微子实验在地下工程中源源不断地产出科研成果。
“发展一代”中，空间项目中的GECAM卫星、中法天文卫星、EP卫星等，高山项目中阿里独创的引力波探测计划，还在建设中的项目，地下的JUNO项目等。 集约开发建设。
在“预研一代”和“概念一代”中，空间项目中的HERD和eXTP正在建立和论证，下一代空间磁谱仪、“猎人摩羯座”项目、空间光学干涉概念宇宙学测距正在酝酿之中； 项目正致力于先进的宇宙射线和伽马观测、原初引力波和超大质量双黑洞搜救； 地下项目正朝着直接探测暗物质、未来极低成本、大体积实验的方向发展。
“未来，我们的目标是成为具有特色、国际先进、领先的粒子天体化学实验室，取得重大突破性科学成果，推动国际粒子天体化学领域的发展！” 张双南说道。
实验室故事
他们说服了他们的美国同行
作者|倪思杰
在开放实验室中，国际合作必不可少。
早在上世纪下半叶，粒子天体化学重点实验室的前身宇宙射线室就已经在组织国际合作。
不过天体物理学对现实的意义，当时的合作方式多是华裔科学家出国留学。
“要技术没有技术，要资金没有资金，要人才没有人才，如何与美国平等合作？” “慧眼”卫星系统载荷总设计师、中国科学技术大学高能化学研究所副所长卢方军坦言。
随着“慧眼”卫星项目的推进，空间高能天体化学研究的这一局面得到扭转。
卢方军举了一个“慧眼”卫星望远镜标定的反例。
“慧眼”卫星高能X射线望远镜共有18套主探测器产品，加上备用部件，数量达到25台。
对于卫星探测器来说，地面标定是一项重要的工作。
未经校准的探测器就像没有刻度的直尺。 当接收到 X 射线时，很难准确确定入射 X 射线光子的能量和数量。
2011年，“慧眼”卫星系统载荷研发团队决定与中国计量科学研究院电离所合作，研究解决X射线天文卫星探测器标定中的技术难点。
经过近3年的努力，双方从零开始共同打造了国外第一台硬X射线探测器地面标定装置HXCF。
但因为这是中国第一次做标定工作，所以团队没有头绪。
于是，他们将其中两个探头带到了美国费拉拉学院进行校准，以验证国外校准的结果。
“当我们团队带着设备去那里和他们讨论校准方案时，这边的院士当天就给我发了邮件，说我们的校准方案不对。”
吕方军回忆说，“经过仔细讨论，我们说服了日本同行。”
除此之外，经过对比，你发现我国自主研发的校准装置在能量范围和光源稳定性方面都优于意大利的。
这一结果让意大利方面对“智慧之眼”团队建立了信任。
随后，费拉拉学院自愿加入了“慧眼”卫星科学数据分析团队。
“在合作的过程中，如果别人觉得大家都靠谱，就会有信心、愿意和你合作。” 吕方军说道。
现在，在粒子天体化学重点实验室，深入的国际合作已经越来越广泛。
例如，“慧眼”卫星的后继卫星eXTP，是中国发起并牵头的旗舰级国际合作X射线天文台。 约有 20 个主要在亚洲的国家参加，但提供了约 1/3 等值的实物捐助。
HERD也是中国发起和牵头的项目，主要是亚洲的10个国家参加并提供了约1/3等值的实物捐助。
除此之外，粒子天体化学重点实验室还积极组织各类国际学术会议，如第五届高空宇宙线国际研讨会、第三届亚太合作国际天体化学研讨会等。
在国外粒子天体化学的学术舞台上，粒子天体化学重点实验室的科学家们往往是主角。
2013年至2018年，实验室500余人次参加国内外各类会议并作报告。
“我们的腰板都硬了，不会再为难了，我们就有了开展国际合作的勇气。” 吕方军说道。
中国科学院粒子天体化学重点实验室简介
中国科学技术大学粒子天体化学重点实验室依托中国科学技术大学高能化学研究所。 其前身是1951年成立于中国科学技术大学近代化学研究所的宇宙射线研究组，后演变为原子能与高能化学研究所。 宇宙射线研究所。
著名化学家王淦昌、张文宇、肖建曾是宇宙射线实验室的组长。 著名化学家钱三强、何泽辉一直关心并参与本实验室的科研工作。
1997年4月，经中国科学技术大学批准，成立“宇宙线与高能天体化学开放实验室”； 2003年7月，更名为“粒子天体化学重点实验室”； 2019年参加中国科学技术大学组织的数理领域医院重点实验室评估，评估结果为A。
粒子天体化学重点实验室聚焦国际前沿和国家战略重点，以阐明深层物质结构和大尺度数学规律为目标。 研究等为主要研究方向。 根据学科需要安排实验项目，开发核心技术，旨在将实验室建设成为粒子天体化学领域的高水平基础理论研究、粒子天体化学实验、新检测技术开发和高水平人员培训。 根据。
实验室的工作定位是“开展重大问题基础研究，提出学科前沿重大项目，搭建实验平台提升仪器性能，发展核心技术支撑长远发展”。
（中国科学技术大学粒子天体化学重点实验室供图）
《中国科学杂志》（2020-07-21第4版重点）
编辑| 赵璐
排版 | 郭刚