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　　[video:20190704中日合作實驗團隊發(fā)現(xiàn)迄今最高能量宇宙伽瑪射線]
　　近日，中日合作西藏ASgamma實驗團隊利用我國西藏羊八井ASgamma實驗陣列發(fā)現(xiàn)迄今為止最高能量的宇宙伽瑪射線，這些宇宙伽瑪射線來自蟹狀星云方向，能量高達450 TeV（4.5×1014電子伏特）（見圖1），比此前國際上正式發(fā)表的75TeV的最高能量高出5倍以上。這標(biāo)志著超高能伽瑪射線天文觀測進入到100 TeV以上的觀測能段。相關(guān)觀測結(jié)果以First Detection of Photons with Energy Beyond 100 TeV from an Astrophysical Source 為題，將于7月下旬作為亮點文章在《物理評論快報》上發(fā)表。
　　蟹狀星云是位于金牛座的著名超新星遺跡（見圖1），1054年我國宋朝的天文學(xué)家詳細(xì)記錄了該超新星爆發(fā)現(xiàn)象，距離地球6500光年左右，其能量來源是位于其中的高速旋轉(zhuǎn)的脈沖星，即蟹狀星云脈沖星。蟹狀星云在全電磁波段均具有較高的亮度，因此科學(xué)家從射電、光學(xué)、X射線直至伽瑪射線的整個電磁波段對其進行了詳細(xì)的觀測和研究。但是，隨著光子能量的增加，光子流強越來越低，觀測也越來越困難。此前，國際上探測到的最高能量的伽瑪射線為75TeV，是德國的HEGRA切倫科夫望遠(yuǎn)鏡實驗組觀測到的。此次中日合作ASgamma實驗團隊發(fā)現(xiàn)了24個100 TeV以上的伽瑪射線事例，超出宇宙線背景5.6倍標(biāo)準(zhǔn)偏差，其中能量最高的約為450 TeV（見圖2）。
　　研究人員認(rèn)為，這些100TeV以上的高能光子可能是更高能量的電子與周圍宇宙微波背景輻射光子發(fā)生“逆康普頓散射”的結(jié)果，而超高能電子、正電子則在蟹狀星云的脈沖星風(fēng)云中產(chǎn)生。由此可以推斷，“蟹狀星云”是“銀河系內(nèi)天然的高能粒子加速器”，與目前世界上最大的人工電子加速器（加速電子最高能量0.2TeV）相比，“蟹狀星云”的電子加速能力至少高了上萬倍。
　　非光子成分的宇宙線是帶電粒子，在銀河系磁場中會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因此它們的抵達方向并不代表其加速源頭的真實位置。伽瑪射線光子是電中性的，不受磁場偏轉(zhuǎn)，能直指其產(chǎn)生的源頭，而超高能量的伽瑪射線又是由高能帶電粒子產(chǎn)生的。因此，超高能伽瑪射線觀測是研究這些極端粒子加速過程及其發(fā)生的極端環(huán)境的獨特途徑，是探索極端宇宙的重要探針之一。了解伽瑪光子所能達到的最高能量以及這些超高能光子能量的分布，研究產(chǎn)生超高能伽瑪射線光子的各種可能天體，有助于揭示宇宙中極端天體的性質(zhì)，以及其中的極端天體物理過程和規(guī)律。
　　西藏羊八井ASgamma實驗位于海拔4300米的西藏羊八井，1990年一期陣列建成并開始運行，后來多次升級改造，在銀河系宇宙線的探測研究方面取得一系列重大發(fā)現(xiàn)。2014年，合作組成員在現(xiàn)有65000平方米宇宙線表面探測陣列下面新增加有效面積4200平方米的地下繆子水切倫科夫探測器（見圖4），利用這種地下繆子水切倫科夫探測器的數(shù)據(jù)，能夠剔除99.92%的宇宙線背景噪聲（見圖3）。合作組正是憑借地下水切倫科夫繆子探測器，使得西藏羊八井ASgamma實驗成為100TeV以上能區(qū)國際上最靈敏的伽瑪射線天文臺，并因此測得本次100TeV伽瑪射線，后續(xù)的運行還有望發(fā)現(xiàn)更多的超高能伽瑪射線源。
　　作為西藏羊八井ASgamma實驗的后續(xù)項目，我國正在四川稻城建設(shè)大面積高海拔宇宙線觀測站LHAASO，其部分設(shè)備已經(jīng)建成并投入觀測運行。和ASgamma實驗相比，LHAASO的能量范圍和靈敏度要高一個數(shù)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。此外，在空間探測方面，高能所正在牽頭申請“探索極端宇宙”EXU國際合作大科學(xué)計劃，其綜合性能比現(xiàn)有的同類空間探測設(shè)備將有大幅度的提升，宇宙線物理和高能伽馬射線天文也是該計劃的主要科學(xué)目標(biāo)。EXU和LHAASO以及國內(nèi)外的其他空間和高山天文臺相結(jié)合，將對宇宙極端天體和過程開展全天空、全時域、多波段和多信使的立體觀測研究，預(yù)期實施之后將取得更多和更重大的成果。
　　西藏羊八井ASgamma實驗由中國科學(xué)院高能物理研究所和日本東京大學(xué)宇宙線研究所共同主持。此次發(fā)現(xiàn)是中日合作雙方共同努力的結(jié)果。該項目得到中國國家自然科學(xué)基金委員會、科學(xué)技術(shù)部、中科院及日本文部省、學(xué)術(shù)振興會（JSPS）等機構(gòu)的支持。實驗在西藏30年的建設(shè)與運行得到了西藏自治區(qū)各級政府及西藏大學(xué)的大力支持。
　　 
　　圖1. 左圖：西藏ASgamma實驗觀測到蟹狀星云方向100TeV以上的伽瑪射線；右圖：美國哈勃望遠(yuǎn)鏡觀測的蟹狀星云圖片（圖片來自于NASA）。
　　 圖2. 左圖：原初宇宙線進入地球大氣后，與大氣中的原子核發(fā)生相互作用產(chǎn)生空氣簇射的示意圖；右圖：西藏ASgamma實驗觀測到的最高能量伽瑪射線(450TeV)的空氣簇射在探測器上產(chǎn)生的密度分布，其中，黑點表示點陣探測器的位置，帶顏色的圓的面積表示在探測器上觸發(fā)的粒子數(shù)目密度，圓的顏色從藍到紅表示粒子到達探測器的時間從快到慢(藍色：快，紅色：慢)；箭頭所指的前端表示空氣簇射的中心，箭頭的方向表示到來的空氣簇射方向。
　　 
　　圖3. 左：西藏羊八井ASgamma實驗組利用地下繆子探測器，能準(zhǔn)確測量宇宙線空氣簇射次級粒子中所含繆子數(shù)目，用于區(qū)分入射的高能宇宙線是質(zhì)子、重原子核還是高能伽瑪射線光子；中圖和右圖：由于伽瑪光子產(chǎn)生的繆子數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于質(zhì)子和重原子核與空氣作用所產(chǎn)生的繆子數(shù)量，因此可根據(jù)地下繆子探測器探測到的某個事例產(chǎn)生的繆子數(shù)量來甄別該事例是伽瑪光子事例還是非伽瑪光子事例；利用該創(chuàng)新性技術(shù)，羊八井ASgamma實驗?zāi)芘懦?9.92%的非伽瑪光子宇宙線事例，從而顯著降低它們對高能伽瑪光子探測的影響，實現(xiàn)了在20TeV以上能區(qū)的國際最高的伽瑪射線探測靈敏度。羊八井ASgamma實驗探測到了來自蟹狀星云方向的24個高度可靠的100 TeV以上的伽瑪射線事例。
　　圖4. 我國西藏羊八井ASgamma實驗（左圖：ASgamma表面陣列；右圖：地下水切倫科夫探測器）
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