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西藏ASγ實驗發現超高能宇宙線加速候選天體

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更新日期：2022年2月24日
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近日，中日合作團隊利用我國西藏羊八井ASγ實驗陣列，在國際上首次發現距地球2600光年的超新星遺跡 SNR G106.3+2.7 發射出超過100TeV（100萬億電子伏特）的伽馬射線。 這些伽馬射線可能是被SNR G106.3+2.7中的激波加速到PeV的宇宙射線（主要成份為質子）與附近的分子雲碰撞產生的。 SNR G106.3+2.7因此成為銀河系中一個候選的「拍電子伏特宇宙線加速器」（「PeVatron」），為解開超高能宇宙射線的起源之謎打開了重要窗口。 相關觀測結果以 「Potential PeVatron supernova remnant G106.3+2.7 seen in the highest-energy gamma rays」為題，於北京時間3月2日零時在《自然 天文》（Nature Astronomy）正式發表。 
自1912年發現宇宙射線以來，超高能宇宙線的起源問題至今未解，是一個世紀之謎。 將宇宙射線加速到PeV（比地球上人造加速器的最高能量高100倍）能量的天體源被稱為「PeVatron」，並被認為應該存在於銀河系中。 但是，由於宇宙射線帶電荷，它們在傳播的過程中會受到銀河系磁場的偏轉，到達地球時的方向已經不再指向源頭了，因此無法通過宇宙線的方向來尋找「PeVatron」。 
幸運的是，宇宙射線在其源頭被加速後可能與附近的分子雲發生碰撞，產生中性π介子，隨後π介子衰變產生能量約為母體宇宙射線能量十分之一的伽馬射線（這類伽馬射線被稱為是「強子起源」）。 由於伽馬射線不帶電荷，沿直線傳播，因此觀測到的伽馬射線到達方向就是該天體源方向，借此可以尋找 「PeVatron」。 
判斷一個天體源是否是宇宙線「PeVatron」，主要有三條判據：
1）該天體源發出的伽馬射線能量超過100 TeV；
2）伽馬射線發射區與分子雲的位置一致；
3）能夠排除超高能伽馬射線產生於脈沖星及其風雲高能電子的可能性，即排除「輕子起源」。 
此前，世界上還沒有任何一個實驗組找到同時滿足以上三個條件的天體。 美國的VERITAS成像切倫科夫望遠鏡在TeV能區和美國費米伽馬射線空間望遠鏡在GeV能區都已觀測到來自於SNR G106.3+2.7 的伽馬射線，但它們對100TeV以上能區的伽馬射線觀測靈敏度不夠。 最近美國的HAWC實驗在40TeV-100TeV能區觀測到伽馬射線，但其觀測到的100TeV伽馬射線輻射區位置精度較低，不足以排除伽馬射線的「輕子起源」（見圖1）。

圖1。 西藏ASγ實驗觀測到超新星遺跡（SNR） G106.3+2.7附近10TeV以上的伽馬輻射圖像，伽馬能量延續到100 TeV以上。 圖中，黑/青色輪廓分別代表了SNR 殼層和附近分子雲的位置，灰色菱形是脈沖星的位置，帶有統計誤差圓的紅星、黑×、品紅色十字和藍色三角形分別表示西藏ASγ實驗、美國費米伽馬射線空間望遠鏡組、美國VERITAS切倫科夫望遠鏡組和美國HAWC實驗組確定的伽馬射線發射區的中心位置。 
西藏中日合作ASγ實驗位於海拔4300米的西藏羊八井，始建於1989年。 2014年，中日合作ASγ實驗團隊在原有的宇宙線表面陣列的地下增設了創新型的地下繆子水切倫科夫探測器（4500平方米）（見圖2），用於探測宇宙線質子與地球大氣作用產生的繆子。 綜合利用表面和地下探測器陣列的數據，可以排除99.92%的宇宙線背景噪聲，從而大大提高了探測伽馬射線的靈敏度。 此次，中日合作團隊通過有效時間2年的觀測，測量到了來自SNR G106.3+2.7方向的超過100TeV的超高能伽馬射線，發現這些伽馬射線的空間分布與附近分子雲的分布接近，而與這個區域內存在的脈沖星及其風雲關聯較弱（見圖1）。 對這些觀測結果的一個合理解釋是：質子在SNR G106.3+2.7附近被激波加速到PeV能區，然後與附近的分子雲碰撞產生中性π介子，隨後π介子衰變產生超高能伽馬射線。 這樣，G106.3+2.7就成為銀河系中一個「PeVatron」候選體，為解開超高能宇宙線起源的世紀之謎打開了一個寶貴的窗口。

圖2：我國西藏ASγ實驗（左圖：ASγ表面陣列）。 2014年，中日合作ASγ實驗團隊在其表面陣列的地下增設了創新型的地下水切論科夫繆子探測陣列4500平方米（右圖），可排除99.92%的宇宙線背景噪聲，從而大大提高了探測伽馬射線的靈敏度。 
西藏中日合作ASγ實驗始建於1989年，由中科院高能物理研究所，中科院國家天文台等國內12個合作單位以及日本東京大學宇宙線研究所等16個日方合作單位組成。 此次重要發現是中日合作雙方 30 年持之以恒，不斷創新，不斷努力的結果。 該項目得到中國國家自然科學基金委員會、科學技術部、中國科學院及日本文部省、學術振興會（JSPS）等機構的支持。 實驗在西藏 30 年的建設與運行得到了西藏自治區各級政府及西藏大學的大力支持。 作為西藏羊八井ASγ實驗的後續項目，我國正在四川稻城建設大面積高海拔宇宙線觀測站LHAASO，其3/4陣列已經建成並投入觀測運行。 和ASγ實驗相比，LHAASO的能量範圍和靈敏度要高一個數量級以上，將把宇宙線物理和超高能伽馬射線天文研究推進到一個新的高度。

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自1912年發現宇宙射線以來，超高能宇宙線的起源問題至今未解，是一個世紀之謎。將宇宙射線加速到PeV（比地球上人造加速器的最高能量高100倍）能量的天體源被稱為「PeVatron」，並被認為應該存在於銀河系中。但是，由於宇宙射線帶電荷，它們在傳播的過程中會受到銀河系磁場的偏轉，到達地球時的方向已經不再指向源頭了，因此無法通過宇宙線的方向來尋找「PeVatron」。

幸運的是，宇宙射線在其源頭被加速後可能與附近的分子雲發生碰撞，產生中性π介子，隨後π介子衰變產生能量約為母體宇宙射線能量十分之一的伽馬射線（這類伽馬射線被稱為是「強子起源」）。由於伽馬射線不帶電荷，沿直線傳播，因此觀測到的伽馬射線到達方向就是該天體源方向，借此可以尋找「PeVatron」。

判斷一個天體源是否是宇宙線「PeVatron」，主要有三條判據：

1）該天體源發出的伽馬射線能量超過100 TeV；

2）伽馬射線發射區與分子雲的位置一致；

3）能夠排除超高能伽馬射線產生於脈沖星及其風雲高能電子的可能性，即排除「輕子起源」。

此前，世界上還沒有任何一個實驗組找到同時滿足以上三個條件的天體。美國的VERITAS成像切倫科夫望遠鏡在TeV能區和美國費米伽馬射線空間望遠鏡在GeV能區都已觀測到來自於SNR G106.3+2.7 的伽馬射線，但它們對100TeV以上能區的伽馬射線觀測靈敏度不夠。最近美國的HAWC實驗在40TeV-100TeV能區觀測到伽馬射線，但其觀測到的100TeV伽馬射線輻射區位置精度較低，不足以排除伽馬射線的「輕子起源」（見圖1）。

西藏中日合作ASγ實驗位於海拔4300米的西藏羊八井，始建於1989年。2014年，中日合作ASγ實驗團隊在原有的宇宙線表面陣列的地下增設了創新型的地下繆子水切倫科夫探測器（4500平方米）（見圖2），用於探測宇宙線質子與地球大氣作用產生的繆子。綜合利用表面和地下探測器陣列的數據，可以排除99.92%的宇宙線背景噪聲，從而大大提高了探測伽馬射線的靈敏度。此次，中日合作團隊通過有效時間2年的觀測，測量到了來自SNR G106.3+2.7方向的超過100TeV的超高能伽馬射線，發現這些伽馬射線的空間分布與附近分子雲的分布接近，而與這個區域內存在的脈沖星及其風雲關聯較弱（見圖1）。對這些觀測結果的一個合理解釋是：質子在SNR G106.3+2.7附近被激波加速到PeV能區，然後與附近的分子雲碰撞產生中性π介子，隨後π介子衰變產生超高能伽馬射線。這樣，G106.3+2.7就成為銀河系中一個「PeVatron」候選體，為解開超高能宇宙線起源的世紀之謎打開了一個寶貴的窗口。

圖2：我國西藏ASγ實驗（左圖：ASγ表面陣列）。2014年，中日合作ASγ實驗團隊在其表面陣列的地下增設了創新型的地下水切論科夫繆子探測陣列4500平方米（右圖），可排除99.92%的宇宙線背景噪聲，從而大大提高了探測伽馬射線的靈敏度。

西藏中日合作ASγ實驗始建於1989年，由中科院高能物理研究所，中科院國家天文台等國內12個合作單位以及日本東京大學宇宙線研究所等16個日方合作單位組成。此次重要發現是中日合作雙方 30 年持之以恒，不斷創新，不斷努力的結果。該項目得到中國國家自然科學基金委員會、科學技術部、中國科學院及日本文部省、學術振興會（JSPS）等機構的支持。實驗在西藏 30 年的建設與運行得到了西藏自治區各級政府及西藏大學的大力支持。作為西藏羊八井ASγ實驗的後續項目，我國正在四川稻城建設大面積高海拔宇宙線觀測站LHAASO，其3/4陣列已經建成並投入觀測運行。和ASγ實驗相比，LHAASO的能量範圍和靈敏度要高一個數量級以上，將把宇宙線物理和超高能伽馬射線天文研究推進到一個新的高度。