100TeVγ射线源探索和宇宙线成分能谱观测及相关高能天体爆发现象和辐射机制的研究

So far，many GeV-TeV γ-ray sources have been found and showed that most are consistent with the origin of high energy electrons. The next duty is to search for high energy bodies that tightly related with the origin of high energy cosmic rays. In 2014 an important upgrade of the Tibet ASγ project was completed. We built: 1. a new underground muon detector with an area of 4500m2 for that a 99.99% background exclusion rate is reached that makes the new ASγ a most sensitive >10TeV γ-ray telescope; 2. a new AS core detection array containing 124 detectors, reaching >90% resolution of nuclear kinds and 12% accuracy of energy determination, that also makes ASγ a most sensitive experiment of the ‘knee’ energy cosmic ray component-spectra observation. Data taking is going on. We expect to observe about 10 γ-ray sources at 10-100TeV region that possibly include unknown sources and give the first evidence of astrophysical origin of ‘knee’ energy cosmic rays. In addition, we expect to firstly obtain the primary proton, helium and iron spectra and their knee positions that will answer whether the peak at the ‘knee’ comes from the SNR sources near the solar system and make a leading and important contribution to the astrophysical origin of ‘knee’ energy cosmic rays.

目前GeV到TeV能区已发现众多γ源，多数符合高能电子起源，下一步要找到与高能宇宙线起源密切联系的高能爆发天体。2014年西藏ASγ实验完成了重大升级并开始取数:1)增建4500 m2地下muon探测器，排除宇宙线背景达99.99%，是10TeV以上能区国际最灵敏的γ天文望远镜;2)建成由124台簇射“芯”探测器组成的阵列实验，使百TeV能区，核种分辨率为90%以上，能量决定精度达12%，是目前膝区宇宙线成分能谱观测最灵敏的实验。我们预期可能观测到10-100TeV能区10个左右γ源，也可能观测到未知γ源，将率先实现膝区宇宙线天体物理起源的确定。在宇宙线成分研究方面，将率先观测到质子谱，氦谱及铁谱，测出它们能谱“膝”位置，回答膝区鼓包是否由太阳系邻近的SNR源产生，为宇宙线天体物理起源作出领先的、重要的贡献。

宇宙线起源问题被列为是 21 世纪 11 大科学难题之一，更被称为“世纪之谜”。本项目利用我们创新性开发的地下水切论科夫探测器（Tibet-MD），使ASγ实验成为100TeV能区国际最灵敏的γ射线天文台。在此基础上，我们利用新升级的ASγ实验数据开展了系列相关研究,获得了以下系列顶级实验成果：1）我们对北天区开展 10-100TeV 能区 γ 射线源巡天扫描，给出首张北天区 100 TeV以上能区γ射线源天图, 确认了15 个能量大于 10 TeV的甚高能γ射线源，其中能量大于 100 TeV 以上的伽马源有 7 个。这 15个源中有 2 个与超新星遗迹(SNR)成协, 12个与脉冲星风云（PWN）成协,另外一个是未知天体源。在此基础上，我们展开北天区 γ 射线源及能谱和辐射机制的研究。2）我们国际首次发现迄今最高能量宇宙伽玛辐射,来自蟹状星云方向,能量高达 450TeV，这是超高能伽玛射线天文学重要的里程碑,宣告人类对极端宇宙的探索从此正式迈入100TeV (100万亿电子伏特)以上的观测能段，结果被《物理评论快报》推荐为最高级别的高亮点论文，在国际上取得巨大反响，被美国的《科学》杂志和Physics World 头版头条报道。3）国际首次发现超新星遗迹G106.3+2.7是银河系内潜在的PeV强子宇宙线源 (论文已被《Nature astronomy》接收)。4）国际首次探测到来自银河系的极高能弥散伽马辐射，这些伽马射线的最高能量接近 1 PeV ( 1000万亿电子伏特)。更重要的是我们证明了这些伽马射线是从最强大的星系源(PeVatron: PeV强子宇宙线源)逃逸出来的宇宙射线与银河系星际介质之间强相互作用产生的。这是国际首次找到了银河系强子宇宙线起源的证据，解决了长达100年的神秘的膝区宇宙线起源的“世纪之谜”,是国际宇宙线业界重要的里程碑。论文已被美国的《物理评论快报》接收，并立刻被 PRL 推荐为最高级别的高亮点论文。5)国际首次观测到银河系的天鹅座（Cygnus）区域有2个超高能伽马射线源，其能谱延伸超过 100 TeV 以上。6)另外，我们还开展了宇宙线成分能谱研究,实现“膝”区质子谱、氦谱、铁谱及其“膝”的精确测量，为宇宙线天体物理起源、传播加速提供宝贵的实验证据。