高能宇宙線來自哪里？這是自宇宙線發現以來，跨越了整整一個世紀的未解之謎，也被美國國家研究委員會列為21世紀11個最前沿的天文和物理問題之一。而就在最近，西藏羊八井中日合作實驗（ASγ實驗）的最新成果，讓人們離解開這個世紀之謎又近了一步。
在這項研究中，科學家在國際上首次發現超高能宇宙線加速器在銀河系中存在的證據。美國物理學會（APS）評論，該成果是百年宇宙線起源研究的里程碑。相關觀測結果將于4月5日在美國《物理評論快報》上正式發表，并被作為高亮點論文加以推薦。
西藏羊八井中日合作實驗表面陣列（中科院高能物理研究所供圖）
銀河里的蛛絲馬跡
宇宙線是來自宇宙空間的高能粒子流，主要由質子和其他原子核組成。能將宇宙線加速到高達千萬億電子伏特（PeV）級別的天體，被稱為“拍電子伏特宇宙線加速器”（PeVatron），又名超高能宇宙線加速器。
超高能宇宙線加速器代表了銀河系內活動最為劇烈的天體。通常，根據理論模型，超新星遺跡、恒星形成區和銀河系中心的超大質量黑洞等，都是候選的超高能宇宙線加速器。
由于帶電的高能宇宙線粒子在銀河系傳播的過程中，運動方向會被磁場偏轉，無法通過直接探測搜尋其源頭方向，于是，科學家們想到了另一種探測的手段——高能宇宙線在傳播過程中會與星際介質碰撞，進而產生能量約為宇宙線母粒子能量十分之一的高能伽馬射線，高能伽馬射線不帶電，沿直線傳播。只要能在銀河系里找到超高能伽馬射線，就能沿著伽馬射線的方向，搜尋到宇宙線的起源。
“超高能伽馬射線就像是超高能宇宙線加速器在銀河系內留下的一串串‘足跡’，是它們存在于銀河系的重要證據。”論文作者之一、中國科學院高能物理研究所研究員黃晶告訴《中國科學報》。
2013年，美國費米伽馬望遠鏡首次發現質子在銀河系中被加速到了十億電子伏特級別。但直至如今，銀河系中都沒有任何千萬億電子伏特級別的超高能宇宙線加速器得到觀測證實，以至于人們懷疑銀河系中是否真的存在這樣的加速器。
“足跡”追尋者
與十億電子伏特級別的伽馬射線相比，超高能伽馬射線數量少，要尋找這樣的“足跡”，無異于大海撈針，地球大氣乃至宇宙中各種各樣的粒子，無時無刻不在向各類觀測設備傳遞噪聲，阻礙著人們的視線。
“超高能伽馬射線只有不到宇宙線的1%，會被淹沒在宇宙線背景中，很難抑制宇宙線本底，挑出伽馬射線。”黃晶說。
經過30多年的發展，西藏 ASγ實驗具備了這種排除干擾、尋找“足跡”的能力。
早在30年多前，1989年，西藏 ASγ實驗建在了位于海拔4300米的西藏羊八井鎮，1995年被美國《科學》雜志列為中國的25個科研基地之一。實驗組由中科院高能物理研究所、中科院國家天文臺等國內12個合作單位以及日本東京大學宇宙線研究所等16個日方合作單位組成，團隊成員超過100人。
“此次重要發現是中日合作雙方 30 年持之以恒、不斷創新、不斷努力的結果。”中科院高能物理研究所所長、中科院院士王貽芳說。
黃晶介紹，西藏 ASγ實驗初期，主要經費和科研工作大部分是由日方承擔，但近年來中日雙方不論是經費還是科研內容方面，已經基本處于對等貢獻水平。
2014年，實驗團隊在已有的65000平方米宇宙線表面陣列下面，建設了有效面積3400平方米的地下繆子水切倫科夫探測陣列，綜合利用地面和地下探測器陣列的數據，實驗組可以將0.1PeV以上的宇宙線背景噪聲壓低到百萬分之一，從而極大地提高了伽馬射線探測的靈敏度。“這成為能夠取得此次發現的關鍵技術基礎。”黃晶說。
在國際合作分工方面，黃晶表示，目前實驗的所有工作不再作具體劃分，從開發設計、建設運行到最后的數據重建、物理分析都是中日雙方平行進行，既充分合作又有所競爭，這種狀態使得合作組能長期一直保持世界較高水平并作出了系列領先的科研成果。
我國西藏羊八井ASγ實驗地下水切倫科夫探測器（中科院高能物理研究所供圖）
曙光就在前方
今年3月2日，西藏 ASγ實驗團隊在銀河系中找到了超高能宇宙線加速器的候選天體。他們首次發現超新星遺跡 SNR G106.3+2.7 方向存在超過1百萬億電子伏特（1 TeV）的伽馬射線，并通過這些伽馬射線的能量及空間分布特征，證明了SNR G106.3+2.7是目前為止在銀河系中發現的最可能的超高能宇宙線加速器候選天體。
這次，科學家再次通過西藏 ASγ實驗設備，觀測到迄今為止最高能量的彌散伽馬射線輻射，給出了超高能彌散伽馬射線在銀河系內的空間分布情況。這些超高能伽馬射線的能譜特征與PeV能量宇宙線和銀河系分子云碰撞產生伽馬射線的模型預言相符。
“ASγ實驗發現了PeV宇宙線在銀盤上的‘足跡’，從實驗上表明超高能宇宙線加速器存在于銀河系內。”南京大學天文系教授王祥玉如是評價。
對于科研團隊來說，此次的觀測結果仍有些許遺憾。“我們最初的研究方向是希望尋找銀河系內存在的超高能宇宙線加速器候選天體，也就是希望這些超高能伽馬射線能指向超新星遺跡、恒星形成區和銀河系中心的超大質量黑洞等天體。但觀測到的結果是，最高能量伽馬射線并沒有指向已知的伽馬射線源，而是集中在銀河系圓盤，沿著銀河系擴散開來。”黃晶說。
那么，解決高能宇宙線起源問題的下一步該往哪走？黃晶認為，要徹底解決高能宇宙線起源問題，還差“臨門一腳”,要完成這“臨門一腳”，一是要開發更先進的、創新型的宇宙線立體探測技術，二是要開展6000米超高海拔宇宙線實驗，以降低實驗觀測閾值并獲得更高質量的觀測數據。
“未來，高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）等設備能觀測更寬能量范圍、更完整的彌散伽馬射線能譜。”王祥玉說。
對于未來，黃晶充滿信心：“曙光就在前方，先進的觀測技術結合我國特有的超高海拔優勢，必將讓我國的宇宙線研究走到最前列。”
西藏ASγ實驗團隊觀測到的超高能彌散伽馬射線事例在銀道坐標系下的分布（中科院高能物理研究所供圖）
相關論文消息：https://journals.aps.org/prl/accepted/2207cYd3La91536bf3509f3189e65322ea6e4b7e0
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