The γ-ray emission from the W51 complex is widely acknowledged to be attributed to the interaction between the cosmic rays (CRs) accelerated by the shock of supernova remnant (SNR) W51C and the dense molecular clouds in the adjacent star-forming region, W51B. However, the maximum acceleration capability of W51C for CRs remains elusive. Based on observations conducted with the Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO), we report a significant detection of γ rays emanating from the W51 complex, with energies from 2 to 200 TeV. The LHAASO measurements, for the first time, extend the γ-ray emission from the W51 complex beyond 100 TeV and reveal a significant spectrum bending at tens of TeV. By combining the "π0-decay bump" featured data from Fermi-LAT, the broadband γ-ray spectrum of the W51 region can be well-characterized by a simple pp-collision model. The observed spectral bending feature suggests an exponential cutoff at ∼400 TeV or a power-law break at ∼200 TeV in the CR proton spectrum, most likely providing the first evidence of SNRs serving as CR accelerators approaching the PeV regime. Additionally, two young star clusters within W51B could also be theoretically viable to produce the most energetic γ rays observed by LHAASO. Our findings strongly support the presence of extreme CR accelerators within the W51 complex and provide new insights into the origin of Galactic CRs.

Evidence for particle acceleration approaching PeV energies in the W51 complex / Cao, Zhen; Aharonian, F.; Axikegu, Null; Bai, Y. X.; Bao, Y. W.; Bastieri, D.; Bi, X. J.; Bi, Y. J.; Bian, W.; Bukevich, A. V.; Cao, Q.; Cao, W. Y.; Cao, Zhe; Chang, J.; Chang, J. F.; Chen, A. M.; Chen, E. S.; Chen, H. X.; Chen, Liang; Chen, Lin; Chen, Long; Chen, M. J.; Chen, M. L.; Chen, Q. H.; Chen, S.; Chen, S. H.; Chen, S. Z.; Chen, T. L.; Chen, Y.; Cheng, N.; Cheng, Y. D.; Cui, M. Y.; Cui, S. W.; Cui, X. H.; Cui, Y. D.; Dai, B. Z.; Dai, H. L.; Dai, Z. G.; Danzengluobu, Null; Dong, X. Q.; Duan, K. K.; Fan, J. H.; Fan, Y. Z.; Fang, J.; Fang, J. H.; Fang, K.; Feng, C. F.; Feng, H.; Feng, L.; Feng, S. H.; Feng, X. T.; Feng, Y.; Feng, Y. L.; Gabici, S.; Gao, B.; Gao, C. D.; Gao, Q.; Gao, W.; Gao, W. K.; Ge, M. M.; Geng, L. S.; Giacinti, G.; Gong, G. H.; Gou, Q. B.; Gu, M. H.; Guo, F. L.; Guo, X. L.; Guo, Y. Q.; Guo, Y. Y.; Han, Y. A.; Hasan, M.; He, H. H.; He, H. N.; He, J. Y.; He, Y.; Hor, Y. K.; Hou, B. W.; Hou, C.; Hou, X.; Hu, H. B.; Hu, Q.; Hu, S. C.; Huang, D. H.; Huang, T. Q.; Huang, W. J.; Huang, X. T.; Huang, X. Y.; Huang, Y.; Ji, X. L.; Jia, H. Y.; Jia, K.; Jiang, K.; Jiang, X. W.; Jiang, Z. J.; Jin, M.; Kang, M. M.; Karpikov, I.; Kuleshov, D.; Kurinov, K.; Li, B. B.; Li, C. M.; Li, Cheng; Li, Cong; Li, D.; Li, F.; Li, H. B.; Li, H. C.; Li, Jian; Li, Jie; Li, K.; Li, S. D.; Li, W. L.; Li, W. L.; Li, X. R.; Li, Xin; Li, Y. Z.; Li, Zhe; Li, Zhuo; Liang, E. W.; Liang, Y. F.; Lin, S. J.; Liu, B.; Liu, C.; Liu, D.; Liu, D. B.; Liu, H.; Liu, H. D.; Liu, J.; Liu, J. L.; Liu, M. Y.; Liu, R. Y.; Liu, S. M.; Liu, W.; Liu, Y.; Liu, Y. N.; Luo, Q.; Luo, Y.; Lv, H. K.; Ma, B. Q.; Ma, L. L.; Ma, X. H.; Mao, J. R.; Min, Z.; Mitthumsiri, W.; Mu, H. J.; Nan, Y. C.; Neronov, A.; Ou, L. J.; Pattarakijwanich, P.; Pei, Z. Y.; Qi, J. C.; Qi, M. Y.; Qiao, B. Q.; Qin, J. J.; Raza, A.; Ruffolo, D.; Sáiz, A.; Saeed, M.; Semikoz, D.; Shao, L.; Shchegolev, O.; Sheng, X. D.; Shu, F. W.; Song, H. C.; Stenkin, Yu. V.; Stepanov, V.; Su, Y.; Sun, D. X.; Sun, Q. N.; Sun, X. N.; Sun, Z. B.; Takata, J.; Tam, P. H. T.; Tang, Q. W.; Tang, R.; Tang, Z. B.; Tian, W. W.; Wang, C.; Wang, C. B.; Wang, G. W.; Wang, H. G.; Wang, H. H.; Wang, J. C.; Wang, Kai; Wang, Kai; Wang, L. P.; Wang, L. Y.; Wang, P. H.; Wang, R.; Wang, W.; Wang, X. G.; Wang, X. Y.; Wang, Y.; Wang, Y. D.; Wang, Y. J.; Wang, Z. H.; Wang, Z. X.; Wang, Zhen; Wang, Zheng; Wei, D. M.; Wei, J. J.; Wei, Y. J.; Wen, T.; Wu, C. Y.; Wu, H. R.; Wu, Q. W.; Wu, S.; Wu, X. F.; Wu, Y. S.; Xi, S. Q.; Xia, J.; Xiang, G. M.; Xiao, D. X.; Xiao, G.; Xin, Y. L.; Xing, Y.; Xiong, D. R.; Xiong, Z.; Xu, D. L.; Xu, R. F.; Xu, R. X.; Xu, W. L.; Xue, L.; Yan, D. H.; Yan, J. Z.; Yan, T.; Yang, C. W.; Yang, C. Y.; Yang, F.; Yang, F. F.; Yang, L. L.; Yang, M. J.; Yang, R. Z.; Yang, W. X.; Yao, Y. H.; Yao, Z. G.; Yin, L. Q.; Yin, N.; You, X. H.; You, Z. Y.; Yu, Y. H.; Yuan, Q.; Yue, H.; Zeng, H. D.; Zeng, T. X.; Zeng, W.; Zha, M.; Zhang, B. B.; Zhang, F.; Zhang, H.; Zhang, H. M.; Zhang, H. Y.; Zhang, J. L.; Zhang, Li; Zhang, P. F.; Zhang, P. P.; Zhang, R.; Zhang, S. B.; Zhang, S. R.; Zhang, S. S.; Zhang, X.; Zhang, X. P.; Zhang, Y. F.; Zhang, Yi; Zhang, Yong; Zhao, B.; Zhao, J.; Zhao, L.; Zhao, L. Z.; Zhao, S. P.; Zhao, X. H.; Zheng, F.; Zhong, W. J.; Zhou, B.; Zhou, H.; Zhou, J. N.; Zhou, M.; Zhou, P.; Zhou, R.; Zhou, X. X.; Zhou, X. X.; Zhu, B. Y.; Zhu, C. G.; Zhu, F. R.; Zhu, H.; Zhu, K. J.; Zou, Y. C.; Zuo, X.; Celli, S.. - In: SCIENCE BULLETIN. - ISSN 2095-9273. - 2024:(2024), pp. 1-9. [10.1016/j.scib.2024.07.017]

Evidence for particle acceleration approaching PeV energies in the W51 complex

Celli, S.
Writing – Original Draft Preparation
2024

Abstract

The γ-ray emission from the W51 complex is widely acknowledged to be attributed to the interaction between the cosmic rays (CRs) accelerated by the shock of supernova remnant (SNR) W51C and the dense molecular clouds in the adjacent star-forming region, W51B. However, the maximum acceleration capability of W51C for CRs remains elusive. Based on observations conducted with the Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO), we report a significant detection of γ rays emanating from the W51 complex, with energies from 2 to 200 TeV. The LHAASO measurements, for the first time, extend the γ-ray emission from the W51 complex beyond 100 TeV and reveal a significant spectrum bending at tens of TeV. By combining the "π0-decay bump" featured data from Fermi-LAT, the broadband γ-ray spectrum of the W51 region can be well-characterized by a simple pp-collision model. The observed spectral bending feature suggests an exponential cutoff at ∼400 TeV or a power-law break at ∼200 TeV in the CR proton spectrum, most likely providing the first evidence of SNRs serving as CR accelerators approaching the PeV regime. Additionally, two young star clusters within W51B could also be theoretically viable to produce the most energetic γ rays observed by LHAASO. Our findings strongly support the presence of extreme CR accelerators within the W51 complex and provide new insights into the origin of Galactic CRs.
2024
cosmic rays; SNR W51C; star clusters; UHE -ray
01 Pubblicazione su rivista::01a Articolo in rivista
Evidence for particle acceleration approaching PeV energies in the W51 complex / Cao, Zhen; Aharonian, F.; Axikegu, Null; Bai, Y. X.; Bao, Y. W.; Bastieri, D.; Bi, X. J.; Bi, Y. J.; Bian, W.; Bukevich, A. V.; Cao, Q.; Cao, W. Y.; Cao, Zhe; Chang, J.; Chang, J. F.; Chen, A. M.; Chen, E. S.; Chen, H. X.; Chen, Liang; Chen, Lin; Chen, Long; Chen, M. J.; Chen, M. L.; Chen, Q. H.; Chen, S.; Chen, S. H.; Chen, S. Z.; Chen, T. L.; Chen, Y.; Cheng, N.; Cheng, Y. D.; Cui, M. Y.; Cui, S. W.; Cui, X. H.; Cui, Y. D.; Dai, B. Z.; Dai, H. L.; Dai, Z. G.; Danzengluobu, Null; Dong, X. Q.; Duan, K. K.; Fan, J. H.; Fan, Y. Z.; Fang, J.; Fang, J. H.; Fang, K.; Feng, C. F.; Feng, H.; Feng, L.; Feng, S. H.; Feng, X. T.; Feng, Y.; Feng, Y. L.; Gabici, S.; Gao, B.; Gao, C. D.; Gao, Q.; Gao, W.; Gao, W. K.; Ge, M. M.; Geng, L. S.; Giacinti, G.; Gong, G. H.; Gou, Q. B.; Gu, M. H.; Guo, F. L.; Guo, X. L.; Guo, Y. Q.; Guo, Y. Y.; Han, Y. A.; Hasan, M.; He, H. H.; He, H. N.; He, J. Y.; He, Y.; Hor, Y. K.; Hou, B. W.; Hou, C.; Hou, X.; Hu, H. B.; Hu, Q.; Hu, S. C.; Huang, D. H.; Huang, T. Q.; Huang, W. J.; Huang, X. T.; Huang, X. Y.; Huang, Y.; Ji, X. L.; Jia, H. Y.; Jia, K.; Jiang, K.; Jiang, X. W.; Jiang, Z. J.; Jin, M.; Kang, M. M.; Karpikov, I.; Kuleshov, D.; Kurinov, K.; Li, B. B.; Li, C. M.; Li, Cheng; Li, Cong; Li, D.; Li, F.; Li, H. B.; Li, H. C.; Li, Jian; Li, Jie; Li, K.; Li, S. D.; Li, W. L.; Li, W. L.; Li, X. R.; Li, Xin; Li, Y. Z.; Li, Zhe; Li, Zhuo; Liang, E. W.; Liang, Y. F.; Lin, S. J.; Liu, B.; Liu, C.; Liu, D.; Liu, D. B.; Liu, H.; Liu, H. D.; Liu, J.; Liu, J. L.; Liu, M. Y.; Liu, R. Y.; Liu, S. M.; Liu, W.; Liu, Y.; Liu, Y. N.; Luo, Q.; Luo, Y.; Lv, H. K.; Ma, B. Q.; Ma, L. L.; Ma, X. H.; Mao, J. R.; Min, Z.; Mitthumsiri, W.; Mu, H. J.; Nan, Y. C.; Neronov, A.; Ou, L. J.; Pattarakijwanich, P.; Pei, Z. Y.; Qi, J. C.; Qi, M. Y.; Qiao, B. Q.; Qin, J. J.; Raza, A.; Ruffolo, D.; Sáiz, A.; Saeed, M.; Semikoz, D.; Shao, L.; Shchegolev, O.; Sheng, X. D.; Shu, F. W.; Song, H. C.; Stenkin, Yu. V.; Stepanov, V.; Su, Y.; Sun, D. X.; Sun, Q. N.; Sun, X. N.; Sun, Z. B.; Takata, J.; Tam, P. H. T.; Tang, Q. W.; Tang, R.; Tang, Z. B.; Tian, W. W.; Wang, C.; Wang, C. B.; Wang, G. W.; Wang, H. G.; Wang, H. H.; Wang, J. C.; Wang, Kai; Wang, Kai; Wang, L. P.; Wang, L. Y.; Wang, P. H.; Wang, R.; Wang, W.; Wang, X. G.; Wang, X. Y.; Wang, Y.; Wang, Y. D.; Wang, Y. J.; Wang, Z. H.; Wang, Z. X.; Wang, Zhen; Wang, Zheng; Wei, D. M.; Wei, J. J.; Wei, Y. J.; Wen, T.; Wu, C. Y.; Wu, H. R.; Wu, Q. W.; Wu, S.; Wu, X. F.; Wu, Y. S.; Xi, S. Q.; Xia, J.; Xiang, G. M.; Xiao, D. X.; Xiao, G.; Xin, Y. L.; Xing, Y.; Xiong, D. R.; Xiong, Z.; Xu, D. L.; Xu, R. F.; Xu, R. X.; Xu, W. L.; Xue, L.; Yan, D. H.; Yan, J. Z.; Yan, T.; Yang, C. W.; Yang, C. Y.; Yang, F.; Yang, F. F.; Yang, L. L.; Yang, M. J.; Yang, R. Z.; Yang, W. X.; Yao, Y. H.; Yao, Z. G.; Yin, L. Q.; Yin, N.; You, X. H.; You, Z. Y.; Yu, Y. H.; Yuan, Q.; Yue, H.; Zeng, H. D.; Zeng, T. X.; Zeng, W.; Zha, M.; Zhang, B. B.; Zhang, F.; Zhang, H.; Zhang, H. M.; Zhang, H. Y.; Zhang, J. L.; Zhang, Li; Zhang, P. F.; Zhang, P. P.; Zhang, R.; Zhang, S. B.; Zhang, S. R.; Zhang, S. S.; Zhang, X.; Zhang, X. P.; Zhang, Y. F.; Zhang, Yi; Zhang, Yong; Zhao, B.; Zhao, J.; Zhao, L.; Zhao, L. Z.; Zhao, S. P.; Zhao, X. H.; Zheng, F.; Zhong, W. J.; Zhou, B.; Zhou, H.; Zhou, J. N.; Zhou, M.; Zhou, P.; Zhou, R.; Zhou, X. X.; Zhou, X. X.; Zhu, B. Y.; Zhu, C. G.; Zhu, F. R.; Zhu, H.; Zhu, K. J.; Zou, Y. C.; Zuo, X.; Celli, S.. - In: SCIENCE BULLETIN. - ISSN 2095-9273. - 2024:(2024), pp. 1-9. [10.1016/j.scib.2024.07.017]
File allegati a questo prodotto
File Dimensione Formato  
1-s2.0-S2095927324004961-main.pdf

solo gestori archivio

Note: Articolo su rivista
Tipologia: Documento in Post-print (versione successiva alla peer review e accettata per la pubblicazione)
Licenza: Tutti i diritti riservati (All rights reserved)
Dimensione 1.41 MB
Formato Adobe PDF
1.41 MB Adobe PDF   Contatta l'autore

I documenti in IRIS sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.

Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/11573/1718245
Citazioni
  • ???jsp.display-item.citation.pmc??? 0
  • Scopus 0
  • ???jsp.display-item.citation.isi??? ND
social impact