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◎ 科技日?qǐng)?bào)記者 陸成寬

4月2日，記者從中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所召開的新聞發(fā)布會(huì)獲悉，利用我國(guó)西藏羊八井的ASγ實(shí)驗(yàn)陣列，中日兩國(guó)研究人員觀測(cè)到迄今為止最高能量的彌散伽馬射線輻射，最高能量達(dá)957萬(wàn)億電子伏特, 接近1拍電子伏特(1000萬(wàn)億電子伏特)。這些超高能伽馬射線的方向并沒(méi)有指向已知的低能段伽馬射線源，而是彌漫分布在銀盤。

圖1:ASγ實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)觀測(cè)到的超高能彌散伽馬射線事例在銀道坐標(biāo)系下的分布

這是國(guó)際上首次發(fā)現(xiàn)拍電子伏特宇宙線加速器（“PeVatron”）在銀河系中存在的證據(jù)。研究成果被美國(guó)物理學(xué)會(huì)評(píng)論為研究高能宇宙線起源“世紀(jì)之迷”的里程碑。

高能宇宙線從哪里來(lái)？這是一個(gè)世紀(jì)之謎，被美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)列為21世紀(jì)11個(gè)最前沿的科學(xué)問(wèn)題之一。

所謂宇宙線，是指來(lái)自宇宙空間的高能粒子流，主要由質(zhì)子和其他原子核組成。通常低于幾個(gè)拍電子伏特能量的宇宙線被認(rèn)為主要產(chǎn)生于銀河系內(nèi)，而能將宇宙線加速到拍電子伏特能級(jí)的天體，被稱為“拍電子伏特宇宙線加速器”。

根據(jù)理論模型，超新星遺跡、恒星形成區(qū)和銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞等都可能是候選的“拍電子伏特宇宙線加速器”。

然而，迄今為止并沒(méi)有任何一個(gè)“拍電子伏特宇宙線加速器”得到觀測(cè)證實(shí)。

“主要是因?yàn)橛钪嫔渚€帶電荷，它們?cè)趥鞑サ倪^(guò)程中會(huì)受到銀河系磁場(chǎng)的影響發(fā)生偏轉(zhuǎn)，到達(dá)地球時(shí)的方向已經(jīng)不再指向源頭了，無(wú)法通過(guò)宇宙線的方向來(lái)尋找這種天體源?！敝锌圃焊吣芩芯繂T黃晶說(shuō)。

幸運(yùn)的是，宇宙射線在其源頭被加速后，可能與附近的分子云發(fā)生碰撞，產(chǎn)生中性π介子，隨后π介子衰變產(chǎn)生能量約為母體宇宙射線能量十分之一的伽馬射線。由于伽馬射線不帶電荷，沿直線傳播，因此觀測(cè)到的伽馬射線到達(dá)方向就是該天體源方向，借此可以尋找“拍電子伏特宇宙線加速器”。

判斷一個(gè)天體源是否是“拍電子伏特宇宙線加速器”，主要有三大依據(jù)?！霸撎祗w源發(fā)出的伽馬射線能量是否超過(guò)100萬(wàn)億電子伏特；伽馬射線發(fā)射區(qū)與分子云的位置是否一致；能夠排除超高能伽馬射線產(chǎn)生于脈沖星及其風(fēng)云高能電子的可能性?！秉S晶說(shuō)。

圖2：我國(guó)西藏羊八井ASγ實(shí)驗(yàn)（左圖：ASγ表面陣列；右圖：地下水切倫科夫探測(cè)器）

這次ASγ實(shí)驗(yàn)在銀盤上發(fā)現(xiàn)超高能彌散伽馬射線，其能譜特征與拍電子伏特能級(jí)宇宙線和銀河系分子云碰撞產(chǎn)生伽馬射線的模型預(yù)言相符，就像是 “拍電子伏特宇宙線加速器” 在銀河系內(nèi)留下的一串串“足跡”，是“拍電子伏特宇宙線加速器”存在于銀河系的重要證據(jù)。

3月2日，ASγ實(shí)驗(yàn)發(fā)布了另一個(gè)相關(guān)的重要研究成果，首次發(fā)現(xiàn)超新星遺跡 SNR G106.3+2.7 方向存在超過(guò)100萬(wàn)億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是目前為止在銀河系中發(fā)現(xiàn)的最可能的 “拍電子伏特宇宙線加速器”候選天體。

黃晶表示，綜合起來(lái)，ASγ實(shí)驗(yàn)的這兩項(xiàng)重要結(jié)果，分別從“拍電子伏特宇宙線加速器”的候選天體和超高能彌散伽馬射線在銀河系內(nèi)的空間分布結(jié)果表明，拍電子伏特宇宙線加速器在銀河系內(nèi)存在。這一發(fā)現(xiàn)，朝著解開高能宇宙線起源的世紀(jì)之謎邁出的重要一步。

2014年，ASγ實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)在現(xiàn)有65000平方米宇宙線表面陣列下面，增設(shè)了有效面積3400平方米的創(chuàng)新型的地下繆子水切倫科夫探測(cè)陣列，用于探測(cè)宇宙線與地球大氣作用產(chǎn)生的繆子。在本項(xiàng)工作中，ASγ實(shí)驗(yàn)組綜合利用地面和地下探測(cè)器陣列的數(shù)據(jù)，將100萬(wàn)億電子伏特以上的宇宙線背景噪聲壓低到百萬(wàn)分之一,從而極大地提高了伽馬射線探測(cè)的靈敏度。這是ASγ實(shí)驗(yàn)近年來(lái)取得系列重大發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。

據(jù)介紹，西藏中日合作ASγ實(shí)驗(yàn)位于海拔4300米的西藏羊八井，始建于1989年，由中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所、國(guó)家天文臺(tái)等國(guó)內(nèi)12個(gè)合作單位以及日本東京大學(xué)宇宙線研究所等16個(gè)日方合作單位參與。

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