中国西藏ASγ实验发现迄今最高能量宇宙线存在银河系证据

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）。中科院高能所 供图

　　中国科学院高能物理研究所（中科院高能所）4月2日在北京举行新闻发布会宣布，中日合作西藏ASγ实验近期观测到迄今为止最高能量的弥散伽马射线辐射，其最高能量达957万亿电子伏特（1TeV=1万亿电子伏特），接近1000万亿电子伏特（1PeV，1拍电子伏特）。

　　超高能的1拍电子伏特是什么概念？科学家科普称，它相当于医学诊断用的X射线能量（大约1万电子伏特）的1000亿倍。最新发现的这些超高能伽马射线的方向并没有指向已知的低能段伽马射线源，而是弥漫分布在银盘（银河系在天空的投影）上，也成为国际上首次发现“拍电子伏特宇宙线加速器”（PeVatrons）在银河系中存在的证据。

　　这项重大高能和天文物理研究成果被美国物理学会评论为研究高能宇宙线起源世纪之迷的里程碑。该研究论文即将于4月5日在著名学术期刊美国《物理评论快报》正式发表，并被期刊作为高亮点论文加以推荐。

　　中科院高能所粒子天体物理中心研究员、西藏ASγ实验负责人黄晶介绍说，高能宇宙线起源是一个世纪未解之谜，被列为21世纪11个最前沿的科学问题之一。宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子流，主要由质子和其他原子核组成。通常低于几个拍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拍电子伏特能量的天体也被称为“拍电子伏特宇宙线加速器”。

　　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“拍电子伏特宇宙线加速器”，但迄今为止并没有任何一个“拍电子伏特宇宙线加速器”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。

　　她指出，这次中日合作ASγ实验在银盘上发现超高能弥散伽马射线，其能谱特征与拍电子伏特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“拍电子伏特宇宙线加速器”在银河系内留下的一串串“足迹”，是其存在于银河系的重要证据。

　　一个月前，西藏ASγ实验曾发布另一个相关重要研究成果——首次发现超新星遗迹SNR G106.3+2.7方向存在超过100万亿电子伏特的伽马射线。这些伽马射线大于百万亿电子伏特的能量及空间分布特征表明，超新星遗迹SNR G106.3+2.7是目前为止在银河系中发现的最可能的“拍电子伏特宇宙线加速器”候选天体。

　　黄晶表示，综合起来，ASγ实验的这两项重要结果，分别从“拍电子伏特宇宙线加速器”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结果，表明“拍电子伏特宇宙线加速器”在银河系内存在，是朝着解开高能宇宙线起源世纪之谜迈出的重要一步。

　　据了解，ASγ实验组由中科院高能所、中科院国家天文台等中方12个合作单位及日本东京大学宇宙线研究所等16个日方合作单位组成。ASγ实验始建于1989年，位于海拔4300米的西藏羊八井。

　　2014年，ASγ实验团队在现有6.5万平方米宇宙线表面阵列下面，增设有效面积3400平方米的创新型的地下缪子水切伦科夫探测阵列，用于探测宇宙线质子与地球大气作用产生的缪子。在高能宇宙线起源研究工作中，ASγ实验组综合利用地面和地下探测器阵列的数据，将100万亿电子伏特以上的宇宙线背景噪声压低到百万分之一，从而极大提高伽马射线探测的灵敏度，成为ASγ实验近年来取得系列重大发现的关键技术基础。