紫臺,|,悟空號獲得TeV以上能區最精確的宇宙線輕核能譜並發現能譜新結構

宇宙線被認為起源於超新星爆炸的遺跡或者黑洞吸積等極端天體,囙此它們也是極端條件下天體環境和物理規律的信使。宇宙線的數目隨著能量的關係稱為其能譜,蘊含有豐富的關於宇宙線的物理資訊。“悟空”探測器具有優异的電荷分辨本領,可以對高能宇宙線質子和氦核進行有效鑒別,進而分別實現對質子和氦核能譜的精確量測。

我們賴以生存的地球無時無刻不在經受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。宇宙線被認為起源於超新星爆炸的遺跡或者黑洞吸積等極端天體,囙此它們也是極端條件下天體環境和物理規律的信使。人類對宇宙線的觀測和研究已經長達一個世紀,但時至今日,關於宇宙線的起源、加速機制以及它們在宇宙空間中的傳播及相互作用等基本問題仍然沒有得到徹底的解答。

宇宙線的數目隨著能量的關係稱為其能譜,蘊含有豐富的關於宇宙線的物理資訊。隨著能量升高宇宙線粒子數目急劇减少,體現出隨能量的負幂律函數依賴關係。精確量測宇宙線的能譜是研究宇宙線物理的覈心任務。

“悟空”號是我國發射的第一顆用於空間高能粒子觀測的衛星,它的主要使命是間接探測暗物質粒子並研究宇宙線物理和高能伽馬射線天文。和國際上其它類似探測設備相比,“悟空”號覆蓋能段寬、能量量測准、粒子鑒別强,在高能正負電子和核素宇宙線的觀測方面位居國際前列。

質子和氦核是宇宙線中豐度最高的兩種粒子,其數目占宇宙線的約99%。“悟空”探測器具有優异的電荷分辨本領,可以對高能宇宙線質子和氦核進行有效鑒別,進而分別實現對質子和氦核能譜的精確量測。與同類型空間探測實驗相比,悟空號具備領先的電荷分辨能力(見圖1)。

圖1“悟空”號電荷譜:500GeV能段(左)和5TeV能段(右)

利用“悟空”號收集的前兩年半的數據,合作組獲得了從40 GeV到100 TeV能段的質子宇宙線精確能譜(DAMPE 2019,Sci. Adv.,5,eaax3793),揭示出在寬能段範圍內質子能譜明顯偏離理論預期的幂律能譜的行為特徵。特別是在能量約14 TeV處的能譜拐折結構系由“悟空”號首次以高置信度觀測到,該能量可能對應於宇宙線源的加速上限。

近日,基於衛星前四年半的在軌觀測數據,“悟空”號國際合作組獲得了宇宙線氦核70 GeV至80 TeV能段的精確能譜量測結果,如圖2右圖所示(DAMPE 2021,Phys. Rev. Lett.)。和以往實驗結果相比,“悟空”號的量測結果在TeV以上能段的精度顯著提高。氦核能譜和質子能譜體現出非常類似的行為,預示著它們存在共同的起源。“悟空”號質子和氦核結果還表明二者能譜拐折的位置近似正比於其電荷。這一新的拐折結構及其電荷依賴的特性預示著它們可能來自鄰近地球的某個宇宙線加速源,拐折能量對應於該源的加速上限。

圖2“悟空”號量測得到的40 GeV-100 TeV能段質子宇宙線能譜(左圖紅點)和70 GeV-80 TeV能段氦核宇宙線能譜(右圖紅點)。圖取自DAMPE collaboration(2019 Sci. Adv.,5,eaax3793;2021 Phys. Rev. Lett.,126,201102)

2017年以來,“悟空”號相繼在電子、質子和氦核宇宙線量測方面取得國際領先的成果,標誌著我國的空間高能粒子探測研究已躋身世界最前列。“悟空”號現時已進入二次延壽運行階段,探測器狀態良好,仍在不斷積累高品質觀測數據。隨著數據的進一步積累和分析的深入,“悟空”號有望取得更多的重要成果,為最終揭開高能宇宙線的起源和加速之謎做出重要的貢獻。

論文連結:http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.201102。

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