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悟空号取得TeV-100 TeV能区最精确的质子宇宙线能谱并发明新的谱构造

  我们赖以生计的地球无时无刻不在经受来自外太空中高能粒子的轰击,这些粒子包含各类原子核、正负电子、高能伽马射线和中微子等,它们统称为宇宙线。人类对宇宙线的不雅测和研究曾经长达一个世纪。宇宙线曾经对根本粒子物理学科起到了异常重要的感化,人们从宇宙线中发清楚明了一大年夜批新粒子。宇宙线和物质的相互感化就像天然的对撞机,而其能量可以远远高于天然加快器的能量,给我们供给了丰富的关于物质根本构造及其相互感化规律的知识。宇宙线同时携带了宇宙中极端天表景象和情况的信息,对相干天体物理研究也意义严重年夜。但时至昔日,关于宇宙线的来源、加快机制和它们在星际空间和星系际空间中的传播及相互感化等根本成绩依然没有取得完全的解答。 

  质子是宇宙线中丰度最高的粒子,占比约90%。对证子能谱的精确丈量有助于懂得宇宙线物理的根本成绩。现实上,由于巨大年夜的技巧挑衅,宇宙线的直接不雅测经久以来停顿迟缓,并且丈量误差很大年夜,直到本世纪才陆续取得冲破,并对传统实际模型带来挑衅。例如,经典的宇宙线加快和传播模型猜想宇宙线能谱应屈从幂律分布。但是近年的直接不雅测实验(如气球实验ATICCREAM和空间实验PAMELAAMS-02CALET)发明质子能谱在数百GeV能量处出现拐折(能谱变硬,即高能粒子数量比按照单一幂律能谱外推显得更多),偏离单一幂律分布。经典实际模型不克不及解释该景象,实际家提出了多种模型来懂得该能谱拐折的成因,辨别这些模型急需更高能段的加倍精确的能谱不雅测。个中一个核心的成绩即在数百GeV至数百TeV能区中能否存在新的能谱构造。然则在TeV及更高能段,前述实验因丈量手段和丈量精度的限制没法给出精确的探测成果,从而也没法对物理模型予以鉴别。 

1 “悟空”号电荷谱(左)和CALET探测器电荷谱(右) 

  我国于2015岁尾发射的首颗地理卫星“悟空”号的核心迷信目标之一就是对宇宙线质子和核素能谱停止精确丈量,发明或清除新的能谱构造。与采取同类型探测器技巧的国际空间站CALET实验比拟,悟空号在统计量和电荷分辨才能上都更具有优势(见图1)。 

  北京时间2019928日,基于其搜集到的前两年折半据,“悟空”号国际协作组在Science Advances杂志发表了从40 GeV100 TeV能段的宇宙线质子精确能谱丈量成果,如图2所示。这是国际上初次应用空间实验完成对高达100 TeV的宇宙线质子能谱的精确丈量,该能量下限比丁肇中师长教员引导的阿尔法磁谱仪(AMS-02)实验赶过约50倍,比日本迷信家领衔的CALET实验最新成果赶过10倍。 

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) 

  “悟空”号的丈量成果确认了质子能谱在数百GeV处的变硬行动。更加重要的是,“悟空”号初次发明质子能谱在约14 TeV出现明显的能谱变软构造,这一新的构造很能够是由近邻个别宇宙线源留下的印记,拐折能量即对应于其加快下限(图3)。“悟空”号的成果对提醒高能宇宙线的来源和加快机制具有非常重要的意义。 

3 解释“悟空”号质子能谱的一个实际模型 

  2017年以来,“悟空”号相继在电子、质子宇宙线丈量方面取得冲破性停顿,标记住我国的空间高能粒子探测研究已跻出身界最前列。“悟空”号今朝曾经进入延寿运转阶段,积聚了大年夜量的高质量数据。“悟空”号协作组将陆续发表宇宙线氦核及其他更重的核素能谱丈量成果,可望测出不合宇宙线核素能谱拐折能量,这将为提醒高能宇宙线的加快机制或与星际介质的相互感化等物理成绩供给关键信息。

  论文链接 https://advances.sciencemag.org/content/5/9/eaax3793

  悟空号是中国迷信院空间迷信计谋先导专项所支撑的空间迷信卫星系列的首发星。该卫星的数据分析任务取得国度重点研发筹划、国度天然迷信基金委员会-中国迷信院空间迷信卫星结合基金、国度基金委出色青年基金/优良青年基金、中国迷信院等项目标大年夜力支撑。

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