近日，中日合作西藏ASgamma實驗團隊利用我國西藏羊八井ASgamma實驗陣列發現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雲方向，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表的75TeV的最高能量高出5倍以上。這標誌著超高能伽瑪射線天文觀測進入到100 TeV以上的觀測能段。相關觀測結果以 「First Detection of Photons with Energy Beyond 100 TeV from an Astrophysical Source」為題，將於7月下旬作為亮點文章在《物理評論快報》上發表。
圖1. 左圖:西藏ASgamma實驗觀測到蟹狀星雲方向100TeV以上的伽瑪射線；右圖:美國哈勃望遠鏡觀測的蟹狀星雲圖片（圖片來自於NASA）。
圖2.左圖:原初宇宙線進入地球大氣後，與大氣中的原子核發生相互作用產生空氣簇射的示意圖；右圖：西藏ASγ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的粒子數目密度，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。
蟹狀星雲是位於金牛座的著名超新星遺蹟（見圖1），1054年我國宋朝的天文學家詳細記錄了該超新星爆發現象，距離地球6500光年左右，其能量來源是位於其中的高速旋轉的脈衝星，即蟹狀星雲脈衝星。蟹狀星雲在全電磁波段均具有較高的亮度，因此科學家在從射電、光學、X射線直至伽瑪射線的整個電磁波段對其進行了詳細的觀測和研究。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切倫科夫望遠鏡實驗組觀測到的。此次中日合作ASgamma實驗團隊發現了24個100 TeV以上的伽瑪射線事例，超出宇宙線背景5.6倍標準偏差，其中能量最高的約為450 TeV（見圖2）。
研究人員認為，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生「逆康普頓散射」的結果，而超高能電子、正電子則在蟹狀星雲的脈衝星風雲中產生。由此可以推斷，「蟹狀星雲」是「銀河系內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，「蟹狀星雲」的電子加速能力至少高了上萬倍。
圖3. 左：西藏羊八井 ASgamma實驗組利用地下繆子探測器，能準確測量宇宙線空氣簇射次級粒子中所含繆子數目，用於區分入射的高能宇宙線是質子、重原子核還是高能伽瑪射線光子；中圖和右圖：由於伽瑪光子產生的繆子數量遠遠少於質子和重原子核與空氣作用所產生的繆子數量，因此可根據地下繆子探測器探測到的某個事例產生的繆子數量來甄別該事例是伽瑪光子事例還是非伽瑪光子事例；利用該創新性技術，羊八井ASgamma實驗能排除99.92%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，實現了在 20TeV以上能區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雲方向的24個高度可靠的100 TeV以上的伽瑪射線事例。
非光子成份的宇宙線是帶電粒子，在銀河系磁場中會發生偏轉，因此它們的抵達方向並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，能直指其產生的源頭，而超高能量的伽瑪射線又是由高能帶電粒子產生的。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生的極端環境的獨特途徑，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，研究產生超高能伽瑪射線光子的各種可能天體，有助於揭示宇宙中極端天體的性質，以及其中的極端天體物理過程和規律。
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）
西藏羊八井ASgamma實驗位於海拔4300米的西藏羊八井，1990年一期陣列建成並開始運行，後來多次升級改造，在銀河系宇宙線的探測研究方面做出了一系列重大發現。2014年，合作組成員在現有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據，能夠剔除99.92%的宇宙線背景噪聲（見圖3）。合作組正是憑藉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以上能區國際上最靈敏的伽瑪射線天文臺，並因此測得本次100TeV伽瑪射線，後續的運行還有望發現更多的超高能伽瑪射線源。
作為西藏羊八井ASgamma實驗的後續項目，我國正在四川稻城建設大面積高海拔宇宙線觀測站LHAASO，其部分設備已經建成並投入觀測運行。和ASgamma實驗相比，LHAASO的能量範圍和靈敏度要高一個數量級以上，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國際合作大科學計劃，其綜合性能比現有的同類空間探測設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目標。EXU和LHAASO以及國內外的其他空間和高山天文臺相結合，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，預期實施之後將取得更多和更重大的成果。
西藏羊八井ASgamma實驗由中科院高能物理研究所和日本東京大學宇宙線研究所共同主持。此次重要發現是中日合作雙方30年持之以恆，不斷創新，不斷努力的結果。該項目得到中國國家自然科學基金委員會、科學技術部、中國科學院及日本文部省、學術振興會（JSPS）等機構的支持。實驗在西藏30年的建設與運行得到了西藏自治區各級政府及西藏大學的大力支持。
背景小知識：
· eV: 電子伏特，是能量的單位。代表一個電子（所帶電量為1.6 X 10-19C的負電荷）經過1伏特的電位差加速後所獲得的動能。TeV表示1012電子伏特，PeV表示1015電子伏特。ASgamma實驗發現的最高能伽瑪射線450 TeV 相當於醫學診斷用的X射線能量（大約10 keV）的450億倍。
· 成像型大氣切倫科夫望遠鏡:通過觀測宇宙線空氣簇射時所產生的大氣切倫科夫光進行高能宇宙線觀測的實驗裝置。
· 宇宙微波背景:（CMB, cosmic microwave background，又稱3K背景輻射）是宇宙學中「大爆炸」遺留下來的熱輻射，是一種充滿整個宇宙的電磁輻射。
· 逆康普頓散射：（inverse Compton scattering），光子與低能電子發生彈性碰撞把能量傳遞給電子稱為康普頓散射, 如果電子為相對論性高能電子,就會把能量傳遞給低能的光子, 這就是逆康普頓散射。逆康普頓散射是高能電子輻射產生高能光子的主要過程。
· 最大的人工電子加速器:歐洲核子研究組織(CERN)的電子和正電子的環形加速器(LEP：Large Electron-Positron Collider)。LEP在2000年結束使用，在遺址上建造了大型強子對撞機(LHC : Large Hadron Collider)，成為世界上最大的粒子加速器設施，這個加速器在2012年發現了希格斯粒子。
來源：中國科學院高能物理研究所
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