100TeVγ射线源的研究及数十TeV宇宙线电子、弥散伽玛能谱的探索

In early 2014, the Tibet hybrid ASγ experiment (Tibet-III+MD) has been upgraded and it becomes one of the world’s most sensitive observatories of gamma rays or maybe electrons above several 10 TeV due to its high separation ability of γ-rays and hardrons. The new data has been expected to make a breakthrough about the origin of the cosmic rays in advance. In this project, the aim of research is to explore the origins of the cosmic rays and gamma rays, based on the spectra of the gamma rays in the range of 10 to 1000TeV derived from the latest data of the Tibet ASγ Collaboration. The further exploration of the origin of the cosmic rays will be performed with the open data of multi-wavelength observation. On the other hand, the isotropic diffuse gamma rays (IGRs) of the Milk way have been detected by the Fermi-LAT, whose origin is interpreted as the annihilation and decay of dark matter in some papers. In order to further explore the origin of IGRs, the diffuse gamma rays above TeV will also been analyzed in this project. The spectral feature of cosmic ray electrons above TeV is often used to distinguish the possible sources of cosmic ray electrons. The high precise spectral of cosmic ray elections will also been reconstructed on the latest data of the Tibet ASγ Collaboration.

西藏羊八井ASγ实验完成了升级改造，新建了4500平方米µ子探测器并开始运行取数，是20TeV以上能区对γ线观测灵感度最高的实验。新的实验结果被认为将有望率先对宇宙线起源的研究形成突破。本申请拟利用新获取的实验数据，开展10-100TeV能区的γ射线与宇宙线起源研究，并结合射电和X线的观测结果，开展超新星遗迹的分子云形状的多波段观测研究, 以寻找宇宙线强子加速的实验证据。另一方面，几十TeV的宇宙线电子能谱的特征及弥散γ的流强的研究被认为是宇宙线起源和暗物质湮灭或衰变研究的重要依据，我们拟在这些方面进行探索研究。

在项目执行期间，基于完成了升级改造的西藏羊八井ASγ实验，我们完成了海量的ASγ实验阵列模拟工作，完善了p/γ分辨的解析方法。基于ASγ实验数据，开展100TeV伽马源探索研究及弥散伽马辐射等相关物理研究，并取得了一系列国际领先的研究成果。.在γ射线源的研究方面，我们观测到15个能量大于10TeV的伽马辐射源，其中 2个与超新星遗迹（SNR）成协，12个与脉冲星风云（PWN）成协，另一个为未知天体源。其中辐射事例能量大于100TeV的源有 7个。在此基础上，我们开展了蟹状星云（Crab）、超新星SNR G106.3+2.7、MGRO J1908等伽马辐射射线源的多波段联合研究，取得了一系列的研究成果。主要成果如下：.1）国际首次发现大于 100TeV伽马辐射，来自蟹状星云方向，最高能量高达 450TeV，比此前国际记录的 75TeV的最高能量高出 5倍以上。成果于2019年作为《物理评论快报》上最高级别的高亮点论文(同时被 P.R.L.采用为“物理特写”和“编辑推荐”)发表。.2）国际首次发现超新星遗迹 SNR G106.3+2.7发出 100TeV以上伽马辐射，这是观测到迄今为止来自于超新星遗迹的最高能量伽马射线，起源于G106.3+2.7加速的宇宙射线(质子)与其附近的分子云碰撞。本项目研究表明，宇宙射线被 SNR G106.3+2.7加速到 PeV能量区域，并与周围分子云碰撞，产生中性介子Pi0，随后衰变产生伽玛射线光子。由此 SNR G106.3+2.7被认为是“PeVatron”的最重要候选源之一，这项工作是研究宇宙射线起源的重要一步。该论文已发表在《Nature Astronomy》。.3）我们以 5.9倍标准偏差的显著性观测到来自于银河系圆盘方向的能量大于 100TeV以上的弥散伽马辐射，最高能量达到 957TeV，接近 1PeV。研究结果表明这些伽马射线是起源于由最强大的星系源(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。该成果已发表在美国《物理评论快报》上，并迅速被P.R.L.推选为最高级别的高亮点论文。.4）我们也已完成蟹状星云对电子加速的唯像理论研究，证明蟹状星云对电子的加速能力高达PeV(1000万亿电子伏特)量级以上，成果已发表在英国皇家天文月刊（MNRAS）上。