我国学者发现质子宇宙线新的能谱结构
日期 2019-10-08  来源:数理科学部  作者:刘强 范一中 常进


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图1 “悟空”号电荷谱(左)和CALET探测器电荷谱(右)

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图2 “悟空”号探测的40 GeV-100 TeV能段宇宙线质子能谱(红点)。图取自DAMPE collaboration (2019, Sci. Adv., 5, eaax3793)


  在国家自然科学基金项目(批准号:11525313, 11622327, 11722328, U1738205, U1738207, U1738208)的资助下,由中国科学院紫金山天文台领衔的“悟空”号国际合作组在质子宇宙线的直接测量方面取得重要进展。研究成果以“Measurement of the Cosmic-ray Proton Spectrum from 40 GeV to 100 TeV with the DAMPE Satellite”(悟空号卫星对40GeV-100TeV质子宇宙线能谱的测量)为题,2019年9月28日在线发表于Science Advances(《科学进展》)。论文链接:https://advances.sciencemag.org/content/5/9/eaax3793。

  我们赖以生存的地球每时每刻都经受着来自外太空中高能粒子的轰击,这些粒子包括各种原子核、正负电子、高能伽马射线和中微子等,它们统称为宇宙线。Hess于1912年发现宇宙线,距今已经一百多年。但时至今日,关于宇宙线的起源、加速与传播过程还没有得到彻底的解答。事实上,即使对宇宙线中丰度最高的质子(占比约90%),在很长时期内都未建立精确的能谱。传统理论认为GeV-PeV宇宙线的能谱应服从一个简单的幂律分布。2008年以来多个实验发现质子能谱在数百GeV能量处开始变硬,明显偏离单一幂律分布。相关理论学家提出了多种模型来解释该重大发现,区分这些模型的关键是对更高能区的宇宙线的能谱进行精确测量,但是之前的实验只获得了10 TeV以下的质子宇宙线的准确能谱。

  我国于2015年底发射的首颗天文卫星“悟空”号的核心科学目标之一就是对高能宇宙线质子以及核素能谱进行精确测量,发现新的能谱结构。与采用同类型探测器技术的国际空间站CALET实验相比,“悟空”号的电荷分辨能力明显占优(见图1)。

  基于前两年半的数据,“悟空”号国际合作组获得了40 GeV到100 TeV能段的宇宙线质子能谱,如图2所示。这是国际上首次利用空间实验实现对高达100 TeV的宇宙线质子能谱的精确直接测量,该能量上限比丁肇中先生领导的阿尔法磁谱仪AMS-02实验高出约50倍,比日本科学家领衔的CALET实验最新结果高出10倍。“悟空”号的测量结果确认了质子能谱在数百GeV处的变硬(体现为图2中“上翘”)行为。更关键的是,“悟空”号首次发现质子能谱在约14 TeV处出现明显的能谱变软结构(图2中“下拐”),这一新的结构很可能是由近邻个别宇宙线源留下的印记,拐折能量对应于其加速上限。“悟空”号的结果对揭示高能宇宙线的起源以及加速机制具有十分重要的意义。