西藏羊八井实验高能宇宙线起源的证据

科学家通过解开高能宇宙线起源之谜，取得了里程碑式的突破！

4月2日，记者从中国科学院高能物理研究所举行的新闻发布会上了解到，利用中国西藏羊八井的AS实验阵列，中国和日本研究人员观测到了迄今为止最高能量的色散射线辐射，最高能量达到957万亿电子伏，接近一拍电子伏(1000万亿电子伏)。这些超高能伽马射线并不指向已知的低能伽马射线源，而是在银盘上扩散。

这是世界上首次发现电子伏宇宙射线加速器(“PeVatron”)在银河系存在的证据。这项研究成果被美国物理学会评价为研究高能宇宙射线起源的“世纪之谜”的里程碑。

高能宇宙射线从哪里来？这是一个世纪的谜，被美国国家研究委员会列为21世纪11个最前沿的科学问题之一。

宇宙射线是指来自太空的高能粒子流，主要由质子和其他原子核组成。能量通常低于几拍电子伏特的宇宙射线被认为主要产生于银河系，能将宇宙射线加速到几拍电子伏特的天体称为拍电子伏特宇宙射线加速器。

根据理论模型，银河系中心的超新星遗迹、恒星形成区和超大质量黑洞都是电子撞击伏特宇宙射线加速器的可能候选者。

但是，到目前为止，还没有一个能打电子伏的宇宙射线加速器被观测所证实。

“主要是因为宇宙射线带电荷，在传播过程中会被银河系的磁场偏转。它们到达地球时的方向不再指向源头，不可能通过宇宙射线的方向找到这个天体源头。”黄静，中国科学院高能研究所研究员。

幸运的是，宇宙射线在其源处加速后，可能会与附近的分子云碰撞产生中性介子，然后介子衰变产生能量约为母体宇宙射线十分之一的伽马射线。因为伽玛射线不带电荷，沿直线行进，所以观测到的伽玛射线到达方向是天体的源方向，所以可以找到电子伏宇宙射线加速器。

判断一个天体源是否为电子伏宇宙射线加速器主要有三个依据。“天体源发出的伽马射线能量是否超过100万亿电子伏；伽玛射线发射区和分子云的位置是否一致；可以排除脉冲星及其高能电子产生超高能伽马射线的可能性。”黄静说。

本次AS实验在银片上发现了超高能色散射线，其能谱特征与银河系中电子伏宇宙线与分子云碰撞产生射线的模型预测一致，就像银河系中电子伏宇宙线加速器留下的一系列“脚印”，是银河系中存在电子伏宇宙线加速器的重要证据。

3月2日，AS实验公布了另一项重要的相关研究成果：首次发现在SNRG106.3 2.7方向有超过100万亿电子伏的射线。这些伽马射线的能量和空间分布特征表明，SNRG106.3 2.7是迄今为止在银河系中发现的电子伏宇宙射线加速器最有可能的候选天体。

黄静说，AS实验的这两个重要结果，从候选天体的空间分布和银河系中的超高能扩散射线来看，说明银河系中存在电子伏宇宙射线加速器。这一发现是解开高能宇宙射线起源的世纪之谜的重要一步。

2014年，AS实验小组在现有的65000平方米宇宙射线面阵下增加了一个有效面积为3400平方米的创新型地下子木水切伦科夫探测阵，用于探测宇宙射线与地球大气相互作用产生的子木。在这项工作中，AS实验组综合利用地面和地下探测器阵列的数据，将100万亿电子伏以上的宇宙线背景噪声降低到百万分之一，从而大大提高了射线探测的灵敏度。这是近年来AS实验取得的一系列重要发现的关键技术基础。

据报道，中日合作的西藏AS实验位于西藏羊八井，海拔4300米。成立于1989年，由中国科学院高能物理研究所、国家天文台等12个国内合作单位和日本东京大学宇宙射线研究所等16个日本合作单位参与。