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暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空”號國際合作組利用衛(wèi)星前六年觀測數(shù)據(jù)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(jié)果，并發(fā)現(xiàn)能譜新結(jié)構(gòu)。相關(guān)研究成果于10月14日在線發(fā)表在《科學通報》（Science Bulletin）上。
宇宙線是來自外太空的高能粒子，包括各種原子核、電子、高能伽馬射線和中微子等。自1912年赫斯發(fā)現(xiàn)宇宙線以來，人類對它的觀測和理論研究已經(jīng)長達一個世紀。但時至今日，關(guān)于宇宙線的起源、加速機制以及它們在星際空間和星系際空間中的傳播及相互作用等基本問題依然沒有得到徹底的解答。
在宇宙線中，碳核、氧核等屬于恒星核合成過程中產(chǎn)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(zhì)發(fā)生碰撞后產(chǎn)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(jīng)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(shù)應為-1/3或-1/2。近些年的直接觀測實驗（如PAMELA、AMS-02）發(fā)現(xiàn)宇宙線B/C在百GeV/n以下能區(qū)確實符合單一冪律分布，其譜指數(shù)非常接近-1/3，被認為是建立于1941年Kolmogorov星際介質(zhì)湍流理論的直接證據(jù)。但在更高能區(qū)，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(jié)果，不能對現(xiàn)有的宇宙線傳播模型給出有效檢驗。
“悟空”號是我國發(fā)射的第一顆用于空間高能粒子觀測的衛(wèi)星，其核心科學目標除了通過對電子宇宙線和伽馬射線的觀測來間接探測暗物質(zhì)粒子，還包括通過探測宇宙線核素粒子來研究宇宙線的加速和傳播機制。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(yōu)異的電荷分辨本領(lǐng)，可以對高能宇宙線核素粒子進行高精度鑒別（圖1）。
10月14日，基于其收集到的前六年觀測數(shù)據(jù)，“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(jié)果（圖2）。這是國際上首次實現(xiàn)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(jié)果表明，在寬能段范圍內(nèi)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(fā)現(xiàn)宇宙線B/C和B/O在相同能量（約100 GeV/n）處出現(xiàn)變硬的行為，意味著經(jīng)典的宇宙線傳播理論需要進行重要的修改。該結(jié)果對揭示宇宙線的傳播機制以及星際介質(zhì)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(zhì)宇宙線的暗物質(zhì)間接探測的天體物理背景需要重新估計。
上述研究工作得到國家自然科學基金委、中科院、江蘇省的多個項目的支持。
論文鏈接
圖1 “悟空”號測量的電荷譜
圖2 “悟空”號探測的10 GeV/n-5.6TeV/n能段宇宙線硼/碳比（左）和硼/氧比（右）隨能量的變化。圖取自DAMPE collaboration (2022 Sci. Bull.)
