我国学者在宇宙线直接探测方面取得进展
日期 2021-06-03  来源:数理科学部  作者:刘强 袁强

     在国家自然科学基金项目(批准号:11921003、11622327、 12003076、11722328、11851305、U1738205、U1738206、U1738207、U1738208、U1738127)的资助下,由我国天文学家领衔的暗物质粒子探测卫星(“悟空”号)国际合作团队利用四年半的观测数据,精确测量了宽能段宇宙线氦核能谱,以高置信度揭示出能谱在约34 TeV处的变软结构。研究成果以“利用DAMPE空间卫星测量70 GeV至80 TeV宇宙线氦核能谱(Measurement of the cosmic ray helium spectrum from 70 GeV to 80 TeV with the DAMPE space mission)”为题在《物理评论快报》(Physical Review Letters)发表。论文链接:http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.201102。

  宇宙线是起源于外太空的高能粒子流,它们通常被认为起源于超新星爆炸的遗迹或者吸积的黑洞等极端天体,因而是极端条件下天体环境和物理规律的信使。百余年来,关于宇宙线的起源、加速机制以及它们在宇宙空间中的传播及相互作用等基本问题仍然是未解之谜。“悟空”号是我国发射的第一颗用于空间高能粒子观测的卫星,它的主要使命是间接探测暗物质粒子并研究宇宙线物理。和国际上其它类似探测设备相比,“悟空”号覆盖能段宽、能量测量准、粒子鉴别强,在高能正负电子和核素宇宙线的观测方面位居国际先进行列。

  基于卫星前四年半的在轨观测数据,该团队获得了宇宙线氦核从70 GeV至80 TeV能段的精确能谱测量结果。和以往实验结果相比,“悟空”号的结果在TeV以上能段精度显著提高,并以4.3σ的置信度发现能谱在34 TeV处变软的新结构。氦核能谱和质子能谱(DAMPE collaboration, 2019, Sci. Adv., 5, eaax3793)体现出非常类似的行为,均存在“先变硬后变软”的特征,预示着它们存在共同的起源(图1)。“悟空”号质子和氦核结果还表明二者能谱拐折的位置近似正比于其电荷。

  “悟空”号的结果被美国《物理评论快报》杂志选为“编辑推荐”,同时在“物理”网站配发评论文章,称“悟空”做出了对宇宙线氦核迄今最精确的测量结果,比以往任何单一实验具有更高的精度和更宽的能段覆盖,发现不符合预期的能谱结构,可能有助于揭示银河宇宙线的起源。2017年以来,“悟空”号相继在电子、质子和氦核宇宙线测量方面取得国际领先的成果,标志着我国的空间高能粒子探测研究已跻身世界前列。“悟空”号目前已进入二次延寿运行阶段,探测器状态良好,仍在不断积累高质量观测数据。随着数据的进一步积累和分析的深入,“悟空”号有望取得更多的重要成果,为最终揭开高能宇宙线的起源和加速之谜做出重要的贡献。

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图1  “悟空”号测量得到的氦核宇宙线能谱(红点)