破解高能宇宙線起源之謎，科學家取得裏程碑式突破！

　　4月2日，記者從(cong) 中國科學院高能物理研究所召開的新聞發布會(hui) 獲悉，利用我國西藏羊八井的ASγ實驗陣列，中日兩(liang) 國研究人員觀測到迄今為(wei) 止最高能量的彌散伽馬射線輻射，最高能量達957萬(wan) 億(yi) 電子伏特, 接近1拍電子伏特（1000萬(wan) 億(yi) 電子伏特）。這些超高能伽馬射線的方向並沒有指向已知的低能段伽馬射線源，而是彌漫分布在銀盤上。

　　這是國際上首次發現拍電子伏特宇宙線加速器（“PeVatron”）在銀河係中存在的證據。研究成果被美國物理學會(hui) 評論為(wei) 研究高能宇宙線起源“世紀之謎”的裏程碑。

　　高能宇宙線從(cong) 哪裏來？這是一個(ge) 世紀之謎，被美國國家研究委員會(hui) 列為(wei) 21世紀11個(ge) 最前沿的科學問題之一。

　　所謂宇宙線，是指來自宇宙空間的高能粒子流，主要由質子和其他原子核組成。通常低於(yu) 幾個(ge) 拍電子伏特能量的宇宙線被認為(wei) 主要產(chan) 生於(yu) 銀河係內(nei) ，而能將宇宙線加速到拍電子伏特能級的天體(ti) ，被稱為(wei) 拍電子伏特宇宙線加速器。

　　根據理論模型，超新星遺跡、恒星形成區和銀河係中心的超大質量黑洞等都可能是候選的拍電子伏特宇宙線加速器。

　　然而，迄今為(wei) 止並沒有任何一個(ge) 拍電子伏特宇宙線加速器得到觀測證實。

　　“主要是因為(wei) 宇宙射線帶電荷，它們(men) 在傳(chuan) 播的過程中會(hui) 受到銀河係磁場的影響而發生偏轉，到達地球時的方向已經不再指向源頭了，無法通過宇宙線的方向來尋找這種天體(ti) 源。”中科院高能所研究員黃晶說。

　　幸運的是，宇宙射線在其源頭被加速後，可能與(yu) 附近的分子雲(yun) 發生碰撞，產(chan) 生中性π介子，隨後π介子衰變產(chan) 生能量約為(wei) 母體(ti) 宇宙射線能量十分之一的伽馬射線。由於(yu) 伽馬射線不帶電荷，沿直線傳(chuan) 播，因此觀測到的伽馬射線到達方向就是該天體(ti) 源方向，借此可以尋找拍電子伏特宇宙線加速器。

　　判斷一個(ge) 天體(ti) 源是否為(wei) 拍電子伏特宇宙線加速器，主要有三大依據。“該天體(ti) 源發出的伽馬射線能量是否超過100萬(wan) 億(yi) 電子伏特；伽馬射線發射區與(yu) 分子雲(yun) 的位置是否一致；能夠排除超高能伽馬射線產(chan) 生於(yu) 脈衝(chong) 星及其風雲(yun) 高能電子的可能性。”黃晶說。

　　這次ASγ實驗在銀盤上發現超高能彌散伽馬射線，其能譜特征與(yu) 拍電子伏特能級宇宙線和銀河係分子雲(yun) 碰撞產(chan) 生伽馬射線的模型預言相符，就像是拍電子伏特宇宙線加速器在銀河係內(nei) 留下的一串串“足跡”，是拍電子伏特宇宙線加速器存在於(yu) 銀河係的重要證據。

　　3月2日，ASγ實驗發布了另一個(ge) 相關(guan) 的重要研究成果：首次發現超新星遺跡SNR G106.3+2.7方向存在超過100萬(wan) 億(yi) 電子伏特的伽馬射線。這些伽馬射線的能量及空間分布特征表明，SNR G106.3+2.7是目前為(wei) 止在銀河係中發現的最有可能的拍電子伏特宇宙線加速器候選天體(ti) 。

　　黃晶表示，綜合起來，ASγ實驗的這兩(liang) 項重要結果，分別從(cong) 拍電子伏特宇宙線加速器的候選天體(ti) 和超高能彌散伽馬射線在銀河係內(nei) 的空間分布結果表明，拍電子伏特宇宙線加速器在銀河係內(nei) 存在。這一發現，朝著解開高能宇宙線起源的世紀之謎邁出了重要一步。

　　2014年，ASγ實驗團隊在現有65000平方米宇宙線表麵陣列下麵，增設了有效麵積3400平方米的創新型地下繆子水切倫(lun) 科夫探測陣列，用於(yu) 探測宇宙線與(yu) 地球大氣作用產(chan) 生的繆子。在本項工作中，ASγ實驗組綜合利用地麵和地下探測器陣列的數據，將100萬(wan) 億(yi) 電子伏特以上的宇宙線背景噪聲壓低到百萬(wan) 分之一，從(cong) 而極大地提高了伽馬射線探測的靈敏度。這是ASγ實驗近年來取得係列重大發現的關(guan) 鍵技術基礎。

　　據介紹，西藏中日合作ASγ實驗位於(yu) 海拔4300米的西藏羊八井，始建於(yu) 1989年，由中國科學院高能物理研究所、國家天文台等國內(nei) 12個(ge) 合作單位以及日本東(dong) 京大學宇宙線研究所等16個(ge) 日方合作單位參與(yu) 。


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