ASγ實(shí)驗(yàn)陣列；
進(jìn)行ASγ實(shí)驗(yàn)的相關(guān)儀器 受訪單位供圖
天聞?lì)l道
◎本報(bào)記者 陸成寬
超高能宇宙線從哪兒來？這是一個(gè)世紀(jì)之謎。
利用我國西藏羊八井的ASγ實(shí)驗(yàn)陣列，中日兩國研究團(tuán)隊(duì)在國際上首次發(fā)現(xiàn)，距地球2600光年的超新星遺跡SNR G106.3+2.7，發(fā)射出了超過100萬億電子伏特的伽馬射線。這些伽馬射線可能是被超新星遺跡中的激波加速到拍電子伏特（1000萬億電子伏特）的宇宙射線與附近的分子云碰撞產(chǎn)生的。因此，該超新星遺跡成為銀河系中一個(gè)候選的“拍電子伏特宇宙線加速器”，為解開超高能宇宙射線的起源之謎打開了重要窗口。相關(guān)觀測結(jié)果3月2日在線發(fā)表于《自然·天文》上。
將宇宙射線加速到比地球上人造加速器的最高能量還高100倍的拍電子伏特的天體源，被稱為“拍電子伏特宇宙線加速器”。這種天體源被認(rèn)為應(yīng)該存在于銀河系中。但是，由于宇宙射線帶電荷，它們?cè)趥鞑サ倪^程中會(huì)受到銀河系磁場的影響發(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，無法通過宇宙線的方向來尋找這種天體源。
“因此，1912年發(fā)現(xiàn)宇宙射線以來，超高能宇宙線的起源問題至今未解，是一個(gè)世紀(jì)之謎?！敝袊茖W(xué)院高能物理研究所研究員黃晶說。
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100萬億電子伏特；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。
此前，世界上還沒有任何一個(gè)實(shí)驗(yàn)組找到同時(shí)滿足以上3個(gè)條件的天體。
2014年，中日合作ASγ實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)在原有的宇宙線表面陣列的地下增設(shè)了創(chuàng)新型的地下繆子水切倫科夫探測器，用于探測宇宙線質(zhì)子與地球大氣作用產(chǎn)生的繆子。綜合利用表面和地下探測器陣列的數(shù)據(jù)，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(tuán)隊(duì)通過2年的觀測，測量到了來自超新星遺跡SNR G106.3+2.7方向的超過100萬億電子伏特的超高能伽馬射線，發(fā)現(xiàn)這些伽馬射線的空間分布與附近分子云的分布接近，同時(shí)與這個(gè)區(qū)域內(nèi)存在的脈沖星及其風(fēng)云關(guān)聯(lián)較弱。
黃晶表示，對(duì)這些觀測結(jié)果的一個(gè)合理解釋是：宇宙射線在超新星遺跡的激波中被加速到拍電子伏特能區(qū)，然后與附近的分子云碰撞產(chǎn)生中性π介子，隨后π介子衰變產(chǎn)生超高能伽馬射線。這個(gè)超新星遺跡因此成為銀河系中一個(gè)“拍電子伏特宇宙線加速器”候選體，為解開超高能宇宙線起源的世紀(jì)之謎打開了一個(gè)寶貴的窗口。
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，由中國科學(xué)院高能物理研究所、國家天文臺(tái)等國內(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。
來源：《科技日?qǐng)?bào)》2021年03月16日 第08版 http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjrb/html/2021-03/16/content_464222.htm?div=-1
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