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    我國學者發現質子宇宙線新的能譜結構

    日期 2019-10-08   來源:數理科學部   作者:劉強 范一中 常進  【 】   【打印】   【關閉

    圖1 “悟空”號電荷譜(左)和CALET探測器電荷譜(右)

    圖2 “悟空”號探測的40 GeV-100 TeV能段宇宙線質子能譜(紅點)。圖取自DAMPE collaboration (2019, Sci. Adv., 5, eaax3793)

      在國家自然科學基金項目(批準號:11525313, 11622327, 11722328, U1738205, U1738207, U1738208)的資助下,由中國科學院紫金山天文臺領銜的“悟空”號國際合作組在質子宇宙線的直接測量方面取得重要進展。研究成果以“Measurement of the Cosmic-ray Proton Spectrum from 40 GeV to 100 TeV with the DAMPE Satellite”(悟空號衛星對40GeV-100TeV質子宇宙線能譜的測量)為題,2019年9月28日在線發表于Science Advances(《科學進展》)。論文鏈接:https://advances.sciencemag.org/content/5/9/eaax3793。

      我們賴以生存的地球每時每刻都經受著來自外太空中高能粒子的轟擊,這些粒子包括各種原子核、正負電子、高能伽馬射線和中微子等,它們統稱為宇宙線。Hess于1912年發現宇宙線,距今已經一百多年。但時至今日,關于宇宙線的起源、加速與傳播過程還沒有得到徹底的解答。事實上,即使對宇宙線中豐度最高的質子(占比約90%),在很長時期內都未建立精確的能譜。傳統理論認為GeV-PeV宇宙線的能譜應服從一個簡單的冪律分布。2008年以來多個實驗發現質子能譜在數百GeV能量處開始變硬,明顯偏離單一冪律分布。相關理論學家提出了多種模型來解釋該重大發現,區分這些模型的關鍵是對更高能區的宇宙線的能譜進行精確測量,但是之前的實驗只獲得了10 TeV以下的質子宇宙線的準確能譜。

      我國于2015年底發射的首顆天文衛星“悟空”號的核心科學目標之一就是對高能宇宙線質子以及核素能譜進行精確測量,發現新的能譜結構。與采用同類型探測器技術的國際空間站CALET實驗相比,“悟空”號的電荷分辨能力明顯占優(見圖1)。

      基于前兩年半的數據,“悟空”號國際合作組獲得了40 GeV到100 TeV能段的宇宙線質子能譜,如圖2所示。這是國際上首次利用空間實驗實現對高達100 TeV的宇宙線質子能譜的精確直接測量,該能量上限比丁肇中先生領導的阿爾法磁譜儀AMS-02實驗高出約50倍,比日本科學家領銜的CALET實驗最新結果高出10倍。“悟空”號的測量結果確認了質子能譜在數百GeV處的變硬(體現為圖2中“上翹”)行為。更關鍵的是,“悟空”號首次發現質子能譜在約14 TeV處出現明顯的能譜變軟結構(圖2中“下拐”),這一新的結構很可能是由近鄰個別宇宙線源留下的印記,拐折能量對應于其加速上限。“悟空”號的結果對揭示高能宇宙線的起源以及加速機制具有十分重要的意義。




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