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　　[video:20190704中日合作實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)迄今最高能量宇宙伽瑪射線(xiàn)]
　　近日，中日合作西藏ASgamma實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)利用我國(guó)西藏羊八井ASgamma實(shí)驗(yàn)陣列發(fā)現(xiàn)迄今為止最高能量的宇宙伽瑪射線(xiàn)，這些宇宙伽瑪射線(xiàn)來(lái)自蟹狀星云方向，能量高達(dá)450 TeV（4.5×1014電子伏特）（見(jiàn)圖1），比此前國(guó)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(xiàn)天文觀測(cè)進(jìn)入到100 TeV以上的觀測(cè)能段。相關(guān)觀測(cè)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(diǎn)文章在《物理評(píng)論快報(bào)》上發(fā)表。
　　蟹狀星云是位于金牛座的著名超新星遺跡（見(jiàn)圖1），1054年我國(guó)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(lái)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(xiàn)直至伽瑪射線(xiàn)的整個(gè)電磁波段對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的觀測(cè)和研究。但是，隨著光子能量的增加，光子流強(qiáng)越來(lái)越低，觀測(cè)也越來(lái)越困難。此前，國(guó)際上探測(cè)到的最高能量的伽瑪射線(xiàn)為75TeV，是德國(guó)的HEGRA切倫科夫望遠(yuǎn)鏡實(shí)驗(yàn)組觀測(cè)到的。此次中日合作ASgamma實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了24個(gè)100 TeV以上的伽瑪射線(xiàn)事例，超出宇宙線(xiàn)背景5.6倍標(biāo)準(zhǔn)偏差，其中能量最高的約為450 TeV（見(jiàn)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?chē)钪嫖⒉ū尘拜椛涔庾影l(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(wàn)倍。
　　非光子成分的宇宙線(xiàn)是帶電粒子，在銀河系磁場(chǎng)中會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因此它們的抵達(dá)方向并不代表其加速源頭的真實(shí)位置。伽瑪射線(xiàn)光子是電中性的，不受磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)，能直指其產(chǎn)生的源頭，而超高能量的伽瑪射線(xiàn)又是由高能帶電粒子產(chǎn)生的。因此，超高能伽瑪射線(xiàn)觀測(cè)是研究這些極端粒子加速過(guò)程及其發(fā)生的極端環(huán)境的獨(dú)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(dá)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(xiàn)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(guò)程和規(guī)律。
　　西藏羊八井ASgamma實(shí)驗(yàn)位于海拔4300米的西藏羊八井，1990年一期陣列建成并開(kāi)始運(yùn)行，后來(lái)多次升級(jí)改造，在銀河系宇宙線(xiàn)的探測(cè)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(xiàn)表面探測(cè)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(cè)器（見(jiàn)圖4），利用這種地下繆子水切倫科夫探測(cè)器的數(shù)據(jù)，能夠剔除99.92%的宇宙線(xiàn)背景噪聲（見(jiàn)圖3）。合作組正是憑借地下水切倫科夫繆子探測(cè)器，使得西藏羊八井ASgamma實(shí)驗(yàn)成為100TeV以上能區(qū)國(guó)際上最靈敏的伽瑪射線(xiàn)天文臺(tái)，并因此測(cè)得本次100TeV伽瑪射線(xiàn)，后續(xù)的運(yùn)行還有望發(fā)現(xiàn)更多的超高能伽瑪射線(xiàn)源。
　　作為西藏羊八井ASgamma實(shí)驗(yàn)的后續(xù)項(xiàng)目，我國(guó)正在四川稻城建設(shè)大面積高海拔宇宙線(xiàn)觀測(cè)站LHAASO，其部分設(shè)備已經(jīng)建成并投入觀測(cè)運(yùn)行。和ASgamma實(shí)驗(yàn)相比，LHAASO的能量范圍和靈敏度要高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，將把宇宙線(xiàn)物理和超高能伽馬射線(xiàn)天文研究推進(jìn)到一個(gè)新的高度。此外，在空間探測(cè)方面，高能所正在牽頭申請(qǐng)“探索極端宇宙”EXU國(guó)際合作大科學(xué)計(jì)劃，其綜合性能比現(xiàn)有的同類(lèi)空間探測(cè)設(shè)備將有大幅度的提升，宇宙線(xiàn)物理和高能伽馬射線(xiàn)天文也是該計(jì)劃的主要科學(xué)目標(biāo)。EXU和LHAASO以及國(guó)內(nèi)外的其他空間和高山天文臺(tái)相結(jié)合，將對(duì)宇宙極端天體和過(guò)程開(kāi)展全天空、全時(shí)域、多波段和多信使的立體觀測(cè)研究，預(yù)期實(shí)施之后將取得更多和更重大的成果。
　　西藏羊八井ASgamma實(shí)驗(yàn)由中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所和日本東京大學(xué)宇宙線(xiàn)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(xiàng)目得到中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科學(xué)技術(shù)部、中科院及日本文部省、學(xué)術(shù)振興會(huì)（JSPS）等機(jī)構(gòu)的支持。實(shí)驗(yàn)在西藏30年的建設(shè)與運(yùn)行得到了西藏自治區(qū)各級(jí)政府及西藏大學(xué)的大力支持。
　　 
　　圖1. 左圖：西藏ASgamma實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到蟹狀星云方向100TeV以上的伽瑪射線(xiàn)；右圖：美國(guó)哈勃望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的蟹狀星云圖片（圖片來(lái)自于NASA）。
　　 圖2. 左圖：原初宇宙線(xiàn)進(jìn)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(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的最高能量伽瑪射線(xiàn)(450TeV)的空氣簇射在探測(cè)器上產(chǎn)生的密度分布，其中，黑點(diǎn)表示點(diǎn)陣探測(cè)器的位置，帶顏色的圓的面積表示在探測(cè)器上觸發(fā)的粒子數(shù)目密度，圓的顏色從藍(lán)到紅表示粒子到達(dá)探測(cè)器的時(shí)間從快到慢(藍(lán)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(lái)的空氣簇射方向。
　　 
　　圖3. 左：西藏羊八井ASgamma實(shí)驗(yàn)組利用地下繆子探測(cè)器，能準(zhǔn)確測(cè)量宇宙線(xiàn)空氣簇射次級(jí)粒子中所含繆子數(shù)目，用于區(qū)分入射的高能宇宙線(xiàn)是質(zhì)子、重原子核還是高能伽瑪射線(xiàn)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(cè)器探測(cè)到的某個(gè)事例產(chǎn)生的繆子數(shù)量來(lái)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(shí)驗(yàn)?zāi)芘懦?9.92%的非伽瑪光子宇宙線(xiàn)事例，從而顯著降低它們對(duì)高能伽瑪光子探測(cè)的影響，實(shí)現(xiàn)了在20TeV以上能區(qū)的國(guó)際最高的伽瑪射線(xiàn)探測(cè)靈敏度。羊八井ASgamma實(shí)驗(yàn)探測(cè)到了來(lái)自蟹狀星云方向的24個(gè)高度可靠的100 TeV以上的伽瑪射線(xiàn)事例。
　　圖4. 我國(guó)西藏羊八井ASgamma實(shí)驗(yàn)（左圖：ASgamma表面陣列；右圖：地下水切倫科夫探測(cè)器）
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