图1:ASγ实验团队观测到的超高能弥散伽马射线事例在银道坐标系下的分布
高能宇宙线从哪里来？这是一个世纪之谜，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。
所谓宇宙线，是指来自宇宙空间的高能粒子流，主要由质子和其他原子核组成。通常低于几个拍电子伏特能量的宇宙线被认为主要产生于银河系内，而能将宇宙线加速到拍电子伏特能级的天体，被称为“拍电子伏特宇宙线加速器”。
根据理论模型，超新星遗迹、恒星形成区和银河系中心的超大质量黑洞等都可能是候选的“拍电子伏特宇宙线加速器”。
然而，迄今为止并没有任何一个“拍电子伏特宇宙线加速器”得到观测证实。
“主要是因为宇宙射线带电荷，它们在传播的过程中会受到银河系磁场的影响发生偏转，到达地球时的方向已经不再指向源头了，无法通过宇宙线的方向来寻找这种天体源。”中科院高能所研究员黄晶说。
幸运的是，宇宙射线在其源头被加速后，可能与附近的分子云发生碰撞，产生中性π介子，随后π介子衰变产生能量约为母体宇宙射线能量十分之一的伽马射线。由于伽马射线不带电荷，沿直线传播，因此观测到的伽马射线到达方向就是该天体源方向，借此可以寻找“拍电子伏特宇宙线加速器”。
判断一个天体源是否是“拍电子伏特宇宙线加速器”，主要有三大依据。“该天体源发出的伽马射线能量是否超过100万亿电子伏特；伽马射线发射区与分子云的位置是否一致；能够排除超高能伽马射线产生于脉冲星及其风云高能电子的可能性。”黄晶说。

图2：我国西藏羊八井ASγ实验（左图：ASγ表面阵列；右图：地下水切伦科夫探测器）
这次ASγ实验在银盘上发现超高能弥散伽马射线，其能谱特征与拍电子伏特能级宇宙线和银河系分子云碰撞产生伽马射线的模型预言相符，就像是 “拍电子伏特宇宙线加速器” 在银河系内留下的一串串“足迹”，是“拍电子伏特宇宙线加速器”存在于银河系的重要证据。
3月2日，ASγ实验发布了另一个相关的重要研究成果，首次发现超新星遗迹 SNR G106.3+2.7 方向存在超过100万亿电子伏特的伽马射线。这些伽马射线的能量及空间分布特征表明 SNR G106.3+2.7是目前为止在银河系中发现的最可能的 “拍电子伏特宇宙线加速器”候选天体。
黄晶表示，综合起来，ASγ实验的这两项重要结果，分别从“拍电子伏特宇宙线加速器”的候选天体和超高能弥散伽马射线在银河系内的空间分布结果表明，拍电子伏特宇宙线加速器在银河系内存在。这一发现，朝着解开高能宇宙线起源的世纪之谜迈出的重要一步。
2014年，ASγ实验团队在现有65000平方米宇宙线表面阵列下面，增设了有效面积3400平方米的创新型的地下缪子水切伦科夫探测阵列，用于探测宇宙线与地球大气作用产生的缪子。在本项工作中，ASγ实验组综合利用地面和地下探测器阵列的数据，将100万亿电子伏特以上的宇宙线背景噪声压低到百万分之一,从而极大地提高了伽马射线探测的灵敏度。这是ASγ实验近年来取得系列重大发现的关键技术基础。

据介绍，西藏中日合作ASγ实验位于海拔4300米的西藏羊八井，始建于1989年，

由中国科学院高能物理研究所、国家天文台等国内12个合作单位以及日本东京大学宇宙线研究所等16个日方合作单位参与。
（科技日报记者 陆成宽）

转自赵泠

在这次发现之前，人们多次观测到能量约10^14到10^15电子伏特（1电子伏特等于1.602176634*10^-19焦耳）的宇宙射线，但不知道这些高能粒子是“从银河系外飞来的”还是“由银河系内的某种机制产生的”。由于这些粒子多为带电粒子[1]，其运动方向可能被各种天体的电磁场干扰，难以用来判断发射源的所在之处。

图片来源：中科院高能物理研究所
图为此次西藏ASγ实验团队观测到的“超高能弥散伽马射线事例”在银道坐标系下的分布示意图。图中黄点表示检测到超高能弥散伽马射线的方位，其能量在398T电子伏特到1P电子伏特之间（T表示10^12，P表示10^15），表现出向银盘集中。图中灰色阴影区域是ASγ实验无法观测的区域，背景叠加了银河系坐标中氢原子的分布。伽马光子是不带电的，这分布也不像引力透镜之类效应所能造成，而是符合“能量约1P电子伏特的高能宇宙线与银河系分子云碰撞产生伽马射线”的模型。
因此，根据这次的观测证据，可以认为银河系内确实有机制将粒子加速到具有这种程度的能量，且这种加速机制可能散布在银河盘各处，并未对应历史上推测过的多个超新星遗迹与恒星形成区、银河系中心超大质量黑洞等可能的发射源。
目前，银河系内超高能宇宙线源的热门候选之一是2021年3月2日由ASγ实验团队发现的超新星遗迹SNR G106.3+2.7。
问：这一发现对于未来科技的发展有什么重要意义么？
答：可以用来研究这些粒子在自然界是如何加速到这种地步的，这之中有没有未知的天体与物理过程，在这样的能级下粒子会不会发生一些未知现象，还有我们能不能在地球上实现这些过程、开发其用途。
而且，即使你觉得一件事没什么意义，你也难以确定这件事在人类社会这个复杂系统里会引起什么样的反应。
历史上还有少量更高能量的宇宙射线的观测记录，这项研究也可能对探究那些粒子的产生机制起到一定作用。
参考
^约89%的宇宙线是质子，约10%是氦原子核，约1%是重元素的原子核，三者构成了宇宙线的99%。电子构成其余1%的绝大部分，伽马光子、超高能中微子只占极小的一部分。