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“悟空”號發現宇宙線硼/碳比能譜新結構 經典宇宙線傳播理論或將修改
2022年10月17日 16:27:38
來源：化工儀器網 作者：楊 點擊量：4586
暗物質粒子探測衛星“悟空”號國際合作組利用衛星前六年觀測數據分析得到10GeV/n到5.6TeV/n能段宇宙線硼/碳比和硼/氧比的精確測量結果，并發現能譜新結構。
【化工儀器網 項目成果】宇宙線亦稱為宇宙射線，是來自外太空的帶電高能次原子粒子，包括各種原子核、電子、高能伽馬射線和中微子等。大約89%的宇宙線是單純的質子，10%是氦原子核(即α粒子)，還有1%是重元素。經由宇宙線核合成的過程，宇宙線對宇宙中鋰、鈹、和硼的產生，扮演著主要的角色。宇宙線也可能會產生二次粒子穿透地球的大氣層和表面。
在宇宙線中，碳核、氧核等屬于恒星核合成過程中產生的原初粒子，而硼核則主要是碳核、氧核在傳播過程中和星際物質發生碰撞后產生的次級粒子。因此，通過對宇宙線中硼/碳(B/C)和硼/氧(B/O)流量比的精確測量可以研究宇宙線在傳播路徑上的相互作用過程。上個世紀40年代至60年代建立起來的經典宇宙線傳播模型預測B/C和B/O隨能量的變化服從單一冪律分布，且譜指數應為-1/3或-1/2。近些年的直接觀測實驗(如PAMELA、AMS-02)發現宇宙線B/C在百GeV/n以下能區確實符合單一冪律分布，其譜指數非常接近-1/3，被認為是建立于1941年Kolmogorov星際介質湍流理論的直接證據。但在更高能區，尤其是TeV/n以上，前述實驗因測量精度的限制無法給出準確的探測結果，不能對現有的宇宙線傳播模型給出有效檢驗。
“悟空”號暗物質粒子探測衛星(DAMPE)是中國科學院空間科學戰略性先導科技專項中首批立項研制的4顆科學實驗衛星之一，主要科學目標是以更高的能量和更好的分辨率來測量宇宙射線中正負電子之比，以找出可能的暗物質信號。和國際上其他類似探測設備相比，“悟空”號覆蓋能段寬、能量測量準、粒子鑒別強，特別是具備優異的電荷分辨本領，可以對高能宇宙線核素粒子進行高精度鑒別。
10月14日，基于其收集到的前六年觀測數據，“悟空”號國際合作組獲得了10 GeV/n到5.6 TeV/n能段的B/C和B/O的精確測量結果(圖2)。這是國際上首次實現對1 TeV/n以上B/C和B/O進行精確測量，能量上限比阿爾法磁譜儀(AMS-02)實驗高出5倍。“悟空”號的探測結果表明，在寬能段范圍內B/C和B/O明顯偏離單一冪律分布的行為特征。
“悟空”號首次以高置信度發現宇宙線B/C和B/O在相同能量(約100 GeV/n)處出現變硬的行為，意味著經典的宇宙線傳播理論需要進行重要的修改。該結果對揭示宇宙線的傳播機制以及星際介質的湍動屬性具有十分重要的意義，也意味著之前基于反物質宇宙線的暗物質間接探測的天體物理背景需要重新估計。
相關成果Detection of spectral hardenings in cosmic-ray boron-to-carbon and boron-to-oxygen flux ratios with DAMPE于10月14日在線發表在《Science Bulletin(科學通報)》上。
參考來源：紫金山天文臺
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