要闻:西藏ASgamma实验发现迄今最高能量宇宙伽玛射线

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最近，中日合作西藏asgamma实验小组利用中国西藏羊八井as GAMA实验阵列，发现了迄今为止最高能量的宇宙伽马射线。 这些宇宙伽马射线来自螃蟹星云方向，能量达到450 tev(4.5×1014电子伏)，比此前国际正式发布的75tev的最高能量高5倍以上。 这表明超高能伽马射线天文观测进入了100 tev以上的观测能量带 相关观测结果以“firstdetectionofphotonswithenergybeyond 100 tevfromanastrophysicalsource”为题，将于7月下旬作为重点文案发表在《物理评论快报》上 图1 .左图:在西藏asgamma实验中观测到螃蟹星云方向100tev以上的伽马射线。 右:用美国哈勃望远镜观测到的螃蟹星云的照片 图像是nasa图2 .左图:原始宇宙线进入地球大气后，与大气中的原子核相互作用产生空气簇的示意图。 右:西藏asγ实验观测到的最高能量伽马射线( 450tev )的空气簇射到检测器上产生的密度分布。 但是，黑点表示光栅检测器的位置，有色圆的面积表示在检测器上启动的粒子数密度，圆的颜色从蓝到红粒子到达检测器的时间早(蓝:快，红:慢)。 箭头所指的前端表示空气淋浴的中心，箭头的方向表示到来的空气淋浴的方向 螃蟹星云是位于金牛座的著名超新星遗迹(见图1 )，1054年我国宋朝天文学家详细记录了这一超新星爆炸现象，离地球约6500光年，其能量来源是位于其中的高速旋转的脉冲星，螃蟹星云脉冲星 螃蟹星云在所有电磁波段都有很高的亮度。 因为这个科学家对从电波、光学、x射线到伽马射线的电磁波段进行了详细的观测和研究。 但是，随着光子能量的增加，光子流变强，观测也变得困难 迄今为止，国际上检测到的最高能量的伽马射线为75tev，在德国的hegra切伦科夫望远镜实验组中进行了观测 这次中日合作asgamma实验小组发现了24个100 tev以上的伽马射线事例，超过了宇宙射线背景的5.6倍的标准偏差，其中能量最高的约为450 tev (参照图2 )。 这些100tev以上的高能光子被认为可能是更高能量的电子和周围的宇宙微波背景放射光子引起“逆康普顿散射”的结果，超高能电子、正电子发生在螃蟹星云的脉冲星风云中 由此推测，“螃蟹星云”是“银河内的天然高能粒子加速器”，与现在世界上最大的人工电子加速器(加速电子最高能量0.2tev )相比，“螃蟹星云”的电子加速能力至少高1万倍 图3 .左:西藏羊八井asgamma实验组利用地下缪尔探测器，准确测量宇宙线空气淋浴二次粒子中含有的缪尔数，入射的高能宇宙线为质子、重原子核， 区别是否是高能伽马射线光子的中和右图:因为远远少于质子、重原子核和空气作用引起的缪尔数，所以根据地下缪尔检测器检测出的某个事例中发生的缪尔数，区分该事例是伽马光子的事例还是非伽马光子的事例。 利用这一创新技术，羊八井asgamma实验排除了99.92%的非伽马光子宇宙线事例，明显降低了它们对高能伽马光子检测的影响，在20tev以上的能量领域实现了国际最高的伽马射线检测灵敏度 用羊八井asgamma实验检测了从食蟹星云方向可靠性高的100 tev以上的伽马射线事例  ； 不是光子成分的宇宙线是带电粒子，在银河系的磁场中偏转。 这是因为其到达方向不表示加速源真正的位置 伽马射线光子是电中性的，不受磁场的偏转，可以朝向其发生源，超高能伽马射线来自高能带电粒子 因此，超高能伽马射线观测是研究这些极端粒子加速过程及其产生的极端环境的独特方法，是探索极端宇宙的重要探针之一 理解伽马射线光子可达到的最高能量和这些超高能光子能量的分布，研究产生超高能伽马射线光子的各种可能天体，有助于揭示宇宙中极端天体的性质，以及其中极端天体的物理过程和规律 图4 .中国西藏羊八井asgamma实验(左图: AS GAMA表面阵列)右图:地下水切伦科夫探测器)西藏羊八井AS GAMA实验位于海拔4300米的西藏羊八井，1990年建成了一期阵列，开始运行， 年，合作组成员在现有65000平方米的宇宙线表面探测阵列下，新增了比较有效面积4200平方米的地下缪西水切伦科夫探测器(见图4 )，利用该地下缪西水切伦科夫探测器的数据，99 合作小组利用地下水切伦科缪尔探测器，使西藏羊八井asgamma实验成为100tev以上能源区国际上最敏感的伽马射线天文台，从该测量中测量了这次100tev伽马射线，之后的运行越来越多的超高能 作为西藏羊八井asgamma实验的后续项目，中国在四川稻城建设了大面积的高海拔宇宙线观测站lhaaso，其中一些设备已经建设好，投入观测运行 与asgamma实验相比，lhaaso的能量范围和灵敏度高一位数以上，将宇宙线物理和超高能伽马射线天文研究推进到了新的高度 另外，在空间探测方面，高能所主导申请了“探索极端宇宙”exu国际合作大科学计划，其综合性能比现有同类空间探测设备大幅度提高，宇宙线物理和高能伽马射线天文也是该计划的首要科学目标 exu和lhaaso，国内外其他空间和高山天文台相结合，对宇宙的极端天体和过程展开了全空、全时域、多波段和多信使的立体观测研究，期待实施后取得越来越多和更重大的成果。 西藏羊八井asgamma实验由中国科学院高能物理研究所和日本东京大学宇宙线研究所共同主办 这次重要发现是中日合作双方持续30年，不断创新，不断努力的结果 该项目得到中国国家自然科学基金委员会、科学技术部、中国科学院以及日本文部省、学术振兴会( jsps )等机构的支持 实验在西藏30年的建设和运行得到了西藏自治区各级政府和西藏大学的大力支持。 背景知识: ev :电子伏特，能量单位 一个电子(带电量1.6 x 10-19c的负电荷)表示以1伏的电位差加速的动能 tev表示1012电子伏，pev表示1015电子伏 在asgamma实验中发现的最高能量伽马射线450 tev相当于医学诊断用x射线能量(约10 kev )的450亿倍 成像型大气切伦科夫望远镜:通过观测宇宙线空气淋浴时产生的大气切伦科夫光进行高能宇宙线观测的实验装置 宇宙微波背景: (也称为cmb、cosmic microwave background、3k背景辐射)是宇宙学中“大爆炸”留下的热辐射，是充满整个宇宙的电磁辐射 逆康普顿散射: ( inverse compton scattering )光子与低能电子弹性碰撞，将能量传输到电子称为康普顿散射，如果电子是相对论高能电子，则将能量传输到低能光子 逆康普顿散射是高能电子辐射产生高能光子的第一个过程 最大的人工电子加速器:欧洲核研究机构( cern )的电子和正电子环形加速器( LEP:Large Electron-Positron Collider ) lep于2000年结束采用，在遗迹上建设了大型强子对撞机( lhc : large hadron collider )，成为世界上最大的粒子加速器设施。 这个加速器年间发现了希格斯玻色子 (原主题:“西藏asgamma实验发现了迄今为止最高的能量宇宙伽马射线」)(本文来自澎湃信息，越来越多的原始信息请下载“澎湃信息”APP )