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观测|西藏羊八井实验立功，为解开“高能宇宙线起源之谜”迈出重要一步

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新京报快讯（采访人员 张璐）近日 ， 中日合作西藏羊八井ASγ实验观测到迄今为止最高能量的弥散伽马射线辐射 ， 这些超高能伽马射线弥漫分布在银盘（银河系在天空的投影）上 。 这是国际上首次发现“拍电子伏特宇宙线加速器”（“PeVatron”）在银河系中存在的证据 。 该结果被美国物理学会（APS）评论为研究高能宇宙线起源“世纪之谜”的里程碑 。

观测|西藏羊八井实验立功，为解开“高能宇宙线起源之谜”迈出重要一步
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西藏ASγ实验团队观测到的超高能弥散伽马射线事例在银道坐标系下的分布 。 这些超高能弥散伽马射线的能量在400TeV到1PeV 之间 ， 表现出向银盘（图中水平中线）集中分布的特点 。 灰色阴影区域是ASγ实验无法观测的区域 。 背景色轮廓显示了银河系坐标中氢原子的分布 。 （来源：https://lambda.gsfc.nasa.gov/product/foreground/fg_hi4pi_get.cfm）
什么是宇宙线？
高能宇宙线起源是一个世纪未解之谜 ， 曾被美国国家研究委员会列为21世纪11个最前沿的天文和物理问题之一 。
宇宙中 ， 无数神秘的粒子正以接近光的速度飞驰 ， 这些神秘的粒子就是宇宙线 。 宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子流 ， 宇宙线中大部分是带电粒子 ， 如质子、铁核等 ， 还有少量的电子 ， 以及中性粒子 ， 如中微子等 。 宇宙线于1912年被发现 ， 早期宇宙线的发现促成了粒子物理学的成型和高能人工加速器的出现 。 宇宙线的能量最高是10的20次方电子伏特 。
据中科院高能物理研究所粒子天体物理中心研究员、西藏ASγ实验负责人黄晶介绍 ， 被称为“天外来客”的宇宙线是来自天体的“信使” ， 宇宙线带着其诞生地的天体物理环境信息 ， 来到地球 。 通过对宇宙线的研究 ， 可以了解星系、恒星等的形成和演化历史 。
我国的宇宙线相关研究可以追溯到很早以前 。 1054年 ， 我国宋朝天文学家发现并记录了金牛座超新星 ， 成为现在备受瞩目的蟹状星云 。 蟹状星云包括一颗脉冲星和它的脉冲星风云 ， 也是一个重要的宇宙线源 。 同时 ， 脉冲星对人类认识恒星演化有很重要的作用 。
如何研究宇宙线起源？
科学家如何利用宇宙线研究其起源问题？据黄晶介绍 ， 宇宙线中绝大多数都是带电粒子 ， 但是宇宙中处处存在着磁场 ， 比如银河系磁场、太阳磁场、地球磁场 ， 带电粒子经过磁场到达地球 ， 方向信息消失了 ， 不知道它来自哪里 。
不过 ， 有一种宇宙线是中性粒子 ， 不受磁场影响 ， 比如伽马射线 。 科研人员只要在地球上观测到伽马射线 ， 反推它原来的方向 ， 就可以研究宇宙线起源 。
带着这样的问题 ， 科学家发展了各种高能伽马射线天文观测实验 。 目前 ， 国际上著名的观测实验有德国的HESS实验、美国的HAWC实验、中日合作西藏羊八井ASγ实验 ， 以及即将建成的我国四川稻城高海拔宇宙线观测站LHAASO 。 西藏ASγ实验位于西藏羊八井 ， 海拔4300米 ， 始建于1989年 ， 1995年被美国《科学》杂志列为中国的25个科研基地之一 。
实验为何要在西藏做？
ASγ实验位于海拔4300米的西藏羊八井镇 ， 为何选择这里？黄晶解释称 ， 宇宙线进入大气层 ， 和空气里的核发生相互作用 ， 像花洒一样产生大量的次级粒子 ， 这些次级粒子中有电子、正电子、光子和缪子 。 其中缪子的穿透作用很强 ， 从地球大气层一直到地底下都有 ， 而电子和光子的穿透能力则较差 。
据悉 ， 宇宙线和大气作用产生的次级粒子数量达到极大位置后又急剧减少 ， 羊八井的高度正对着PeV（10的15次方电子伏特）能量宇宙线的次级粒子最多的位置 ， 所以实验探测器设在羊八井 ， 最有利于对这一能区进行观测 。
2014年 ， ASγ实验完成重大升级改造 ， 团队在现有65000平方米宇宙线表面阵列下2.5米深的土层下 ， 增设了有效面积3400平方米的创新型地下缪子水切伦科夫探测阵列 ， 阵列就像五个游泳池 ， 起到了“降噪”的效果 ， 用于探测宇宙线质子与地球大气作用产生的次级粒子缪子 ， 缪子可以穿透2.5米深的土层 。

观测|西藏羊八井实验立功，为解开“高能宇宙线起源之谜”迈出重要一步
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我国西藏羊八井ASγ实验（左图：ASγ表面阵列；右图：地下水切伦科夫探测器） 。 图/中科院高能所
实验有何最新重大发现？
通常低于几个 PeV（10的15次方电子伏特）能量的宇宙线被认为主要产生于银河系内 ， 而能将宇宙线加速到 PeV 能量的天体也被称为是“拍电子伏特宇宙线加速器” (“PeVatron”) 。 “银河中到处都有超高能宇宙线 ， 说明银河系中必然存在加速器 ， 把宇宙线加速到这么高的能量 。 ”高能所研究员毕效军说 。
根据理论模型 ， 超新星遗迹、恒星形成区和银河系中心的超大质量黑洞等是候选的“PeVatrons” ， 但迄今为止 ， 并没有任何一个“PeVatron”得到观测证实 ， 其主要困难在于 ， 带电的高能宇宙线粒子在银河系传播的过程中 ， 其运动方向会被磁场偏转 ， 无法通过直接探测搜寻其源头方向 。
但是 ， 带电的高能宇宙线在传播过程中与星际介质碰撞可以产生高能伽马射线；高能伽马射线不带电 ， 沿直线传播 。 这次ASγ实验在银盘上发现超高能弥散伽马射线 ， 其能谱特征与PeV能量宇宙线和银河系分子云碰撞产生伽马射线的模型预言相符 ， 就像是 “PeVatron”在银河系内留下的一串串“足迹” ， 是“PeVatron”存在于银河系的重要证据 。
相关观测结果将于4月5日在美国《物理评论快报》正式发表 ， 并被作为高亮点论文加以推荐 。
黄晶说 ， “PeVatron”究竟是什么天体、数量有多少依然是谜 ， 但从此次发现看 ， 数量应该不止一个或者几个 ， 因为发现超高能伽马射线是“弥漫”分布在银盘上的 ， 如果数量少提供不了这么多的能量 。
西藏ASγ实验是如何“解题”的？
探测超高能伽马射线的难度是什么？黄晶说 ， 超高能伽马射线流强太低 ， 只有不到宇宙线的1% ， 被淹没在宇宙线背景中 ， 找出它们犹如“大海捞针” 。
在本项工作中 ， ASγ实验组综合利用地面和地下探测器阵列的数据 ， 将100TeV（1TeV即10的12次方电子伏特）以上的宇宙线背景噪声压低到百万分之一,从而极大地提高了伽马射线探测的灵敏度 。 这是ASγ实验近年来取得系列重大发现的关键技术基础 。
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【观测|西藏羊八井实验立功，为解开“高能宇宙线起源之谜”迈出重要一步】发现“PeVatron”候选天体
今年3月2日 ， 西藏ASγ实验发布了另一个相关的重要研究成果 ， 首次发现超新星遗迹SNR G106.3+2.7方向存在超过100TeV（100万亿电子伏特）的伽马射线 。 这些伽马射线的能量（大于100TeV）及空间分布特征表明SNR G106.3+2.7是目前为止在银河系中发现的最可能的“PeVatron”候选天体 。
综合起来 ， ASγ实验的这两项重要结果 ， 分别从“PeVatron”的候选天体和超高能弥散伽马射线在银河系内的空间分布两个方面表明PeV宇宙线加速器在银河系内存在 ， 是朝着解开高能宇宙线起源的世纪之谜迈出的重要一步 。
新京报采访人员 张璐
编辑 刘梦婕 校对 吴兴发

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