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实验|中日合作团队发现超高能宇宙线加速候选天体

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中新网北京3月2日电 (采访人员孙自法)宇宙射线(即宇宙线)自1912年发现以来 ， 超高能宇宙线的起源问题至今未解 ， 堪称世纪之谜 ， 也一直备受学界关注 。
国际上首次发现超百万亿电子伏特伽马射线来自于超新星遗迹
中国科学院高能物理研究所(中科院高能所)3月2日对外宣布 ， 中日合作团队最新利用中国西藏羊八井ASγ实验阵列(西藏ASγ实验) ， 在国际上首次发现距地球2600光年、编号为SNRG106.3+2.7的超新星遗迹发射出超过100TeV(100万亿电子伏特)的伽马射线 。
【实验|中日合作团队发现超高能宇宙线加速候选天体】
实验|中日合作团队发现超高能宇宙线加速候选天体
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西藏ASγ实验观测到超新星遗迹SNRG106.3+2.7附近10TeV以上的伽马辐射图像 ， 伽马能量延续到100TeV以上 。 中科院高能所 供图
这些伽马射线可能是被SNRG106.3+2.7中的激波 ， 加速到比地球上人造加速器最高能量高100倍的PeV(拍电子伏特)的宇宙线(主要成份为质子)与附近的分子云碰撞产生 。 因此 ， 超新星遗迹SNRG106.3+2.7成为银河系中一个超高能宇宙线加速候选天体——“拍电子伏特宇宙线加速器”(“PeVatron”) ， 这也为解开超高能宇宙线的起源之谜打开了一个重要窗口 。
西藏ASγ实验这项高能和天文领域的重磅发现及相关观测结果的研究论文 ， 北京时间当天凌晨由国际专业学术期刊《自然·天文》在线发表 。
判断一个天体源是否为超高能宇宙线源主要有三条判据
中科院高能所介绍说 ， 将宇宙线加速到PeV能量的天体源被称为“PeVatron” ， 并被认为应该存在于银河系中 。 但是 ， 由于宇宙线带电荷 ， 它们在传播的过程中会受到银河系磁场的偏转 ， 到达地球时的方向已经不再指向源头 ， 因此无法通过宇宙线的方向来寻找“PeVatron” 。
幸运的是 ， 宇宙线在其源头被加速后可能与附近的分子云发生碰撞 ， 产生中性π介子 ， 随后π介子衰变产生能量约为母体宇宙线能量十分之一的伽马射线(这类伽马射线被称为“强子起源”) 。 由于伽马射线不带电荷 ， 沿直线传播 ， 因此观测到的伽马射线到达方向就是该天体源方向 ， 借此可以寻找“PeVatron” 。
判断一个天体源是否是宇宙线源“PeVatron” ， 主要有三条判据：一是该天体源发出的伽马射线能量超过100TeV；二是伽马射线发射区与分子云的位置一致；三是能够排除超高能伽马射线产生于脉冲星及其风云高能电子的可能性 ， 即排除“轻子起源” 。
此前 ， 世界上还没有任何一个实验组找到同时满足以上三个条件的天体 。 美国的VERITAS成像切伦科夫望远镜在TeV能区和美国费米伽马射线空间望远镜在GeV能区都已观测到来自于SNRG106.3+2.7的伽马射线 ， 但它们对100TeV以上能区的伽马射线观测灵敏度不够 。 最近美国的HAWC实验在40TeV-100TeV能区观测到伽马射线 ， 但其观测到的100TeV伽马射线辐射区位置精度较低 ， 不足以排除伽马射线的“轻子起源” 。
西藏ASγ实验如何发现超高能宇宙线加速候选天体
海拔4300米的西藏ASγ实验始建于1989年 ， 2014年 ， 中日合作ASγ实验团队在原有宇宙线表面阵列地下 ， 增设创新型的4500平方米地下缪子水切伦科夫探测器 ， 用于探测宇宙线质子与地球大气作用产生的缪子 。 综合利用表面和地下探测器阵列的数据 ， 可以排除99.92%的宇宙线背景噪声 ， 从而大大提高探测伽马射线的灵敏度 。
中科院高能所粒子天体中心研究员、西藏ASγ实验负责人黄晶表示 ， 此次最新研究 ， 中日合作团队通过有效时间2年的观测 ， 测量到来自SNRG106.3+2.7方向的超过100TeV的超高能伽马射线 ， 发现这些伽马射线的空间分布与附近分子云的分布接近 ， 而与这个区域内存在的脉冲星及其风云关联较弱 。
她认为 ， 对这些观测结果的一个合理解释 ， 就是质子在SNRG106.3+2.7附近被激波加速到PeV能区 ， 然后与附近的分子云碰撞产生中性π介子 ， 随后π介子衰变产生超高能伽马射线 。 就这样 ， SNRG106.3+2.7成为了银河系中一个“PeVatron”候选体 。
据了解 ， 西藏ASγ实验由中科院高能所、中科院国家天文台等国内12个合作单位以及日本东京大学宇宙线研究所等16个日方合作单位组成 ， 此次重要发现是中日合作双方30年持之以恒 ， 不断创新 ， 不断努力的结果 。
中科院高能所透露 ， 作为西藏ASγ实验的后续项目 ， 中国正在四川稻城建设大面积高海拔宇宙线观测站(LHAASO ， 中文俗称“拉索”) ， 其3/4阵列已经建成并投入观测运行 。 和ASγ实验相比 ， LHAASO的能量范围和灵敏度要高一个数量级以上 ， 有望将宇宙线物理和超高能伽马射线天文研究推进到一个新的高度 。 (完)

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