主要研究方向：

　　1. 高能天体物理研究：

　　宇宙是极端物理条件的实验室，在这些条件下，某些物理规律会以更明显的方式表现出来。对这些极端条件下的物理规律进行研究，不仅有利于我们更好地认识各类天体的性质，也对基础物理学的发展有着重要的意义。本实验室针对包括黑洞和中子星X射线双星、脉冲星、磁星、伽玛射线暴和双致密星并合引力波高能电磁对应体（即引力波闪）等致密天体以及超新星遗迹、星系团等天体，充分利用实验室的空间高能天文仪器，联合国内外其他空间及地面望远镜和探测器，以各种观测技术、数据处理技术、天体物理知识和粒子物理理论相结合的方法对这些天体进行研究。同时，以这些基础研究为牵引，实验室沿X射线天文和空间粒子探测两条主线，发展新的探测手段，提出新的大型空间科学实验，推动我国空间高能天文观测研究进入世界前沿，同时满足国家安全和空间探测等重大需求。

　　2. 宇宙线研究：

　　宇宙线是来自宇宙空间的物质样本，携带了丰富的信息，是联系宏观和微观世界的桥梁。本实验室利用优良的地面宇宙线观测站址，发展大气簇射观测技术；综合利用多种手段提高荷电粒子和伽玛射线的识别能力，提高伽玛射线观测灵敏度，研究天体的甚高能和极高能伽玛射线辐射；精确测量原初宇宙线能谱和成分，研究不同能段宇宙线的起源和加速机制，研究宇宙线在银河系内的传播过程以及和星际（或星系际）介质的相互作用，以解决宇宙高能宇宙线起源的世纪之谜。主要研究方向覆盖了高能伽玛射线源的寻找、寻找超高能宇宙线的加速源、通过多波段、多信使手段研究源区粒子加速机制、测量高能宇宙线各种成份的能谱、研究宇宙线的产生机制、精确测量宇宙线的各向异性研究其传播机制、开展与之相关的唯象理论研究、开展太阳系对高能宇宙线的产生、调制等观测、开展空间天气预报相关的研究、开展宇宙线与大气的相互作用的研究、高能宇宙线探测技术的研发等。

　　3. 中微子和暗物质探测：

　　中微子和暗物质是粒子物理和天体物理的重要交叉点和研究热点，也是本实验室的重点研究方向之一。实验室通过大亚湾中微子实验对中微子性质的研究，理解宇宙正反物质的不对称；通过参加国际合作和自主发展新型探测技术的方式，开展地下低本底暗物质直接探测实验与研究；通过发展空间带电粒子和高能伽玛射线探测技术，在空间观测暗物质湮灭可能产生的次级粒子或伽玛射线，间接探测暗物质并研究其空间分布。

　　4. 宇宙学研究：

　　对早期宇宙物理、黑洞宇宙学、宇宙微波背景辐射（CMB）、暗物质暗能量等这些问题的深入研究将是我们理解物质基本结构、宇宙的起源和演化等诸多基本问题的关键。近年来这一领域发展迅速，成为一个极其活跃的前沿研究领域。本实验室利用目前各类宇宙微波背景辐射实验的高精度观测数据，开展实验数据分析和宇宙学模型检验等研究。同时提出“阿里原初引力波探测计划”，通过测量CMB B模式偏振这一最佳探测手段，针对在检验暴胀等宇宙早期理论方面具有重大意义的原初引力波进行研究。实验室还利用超Eddington吸积的超大质量黑洞（SEAMBH）作为宇宙动力学新探针，构建全球反响映射观测网络对SEAMBH进行观测研究，以便有效地延伸宇宙距离阶梯，从而测量宇宙早期膨胀历史。