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暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星“悟空”號(hào)國(guó)際合作組利用衛(wèi)星前六年觀測(cè)數(shù)據(jù)分析得到10GeV/n到5.6TeV/n能段宇宙線(xiàn)硼/碳比和硼/氧比的精確測(cè)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(xiàn)發(fā)表在《科學(xué)通報(bào)》（Science Bulletin）上。
宇宙線(xiàn)是來(lái)自外太空的高能粒子，包括各種原子核、電子、高能伽馬射線(xiàn)和中微子等。自1912年赫斯發(fā)現(xiàn)宇宙線(xiàn)以來(lái)，人類(lèi)對(duì)它的觀測(cè)和理論研究已經(jīng)長(zhǎng)達(dá)一個(gè)世紀(jì)。但時(shí)至今日，關(guān)于宇宙線(xiàn)的起源、加速機(jī)制以及它們?cè)谛请H空間和星系際空間中的傳播及相互作用等基本問(wèn)題依然沒(méi)有得到徹底的解答。
在宇宙線(xiàn)中，碳核、氧核等屬于恒星核合成過(guò)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(guò)程中和星際物質(zhì)發(fā)生碰撞后產(chǎn)生的次級(jí)粒子。因此，通過(guò)對(duì)宇宙線(xiàn)中硼/碳（B/C）和硼/氧（B/O）流量比的精確測(cè)量可以研究宇宙線(xiàn)在傳播路徑上的相互作用過(guò)程。上個(gè)世紀(jì)40年代至60年代建立起來(lái)的經(jīng)典宇宙線(xiàn)傳播模型預(yù)測(cè)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(yīng)為-1/3或-1/2。近些年的直接觀測(cè)實(shí)驗(yàn)（如PAMELA、AMS-02）發(fā)現(xiàn)宇宙線(xiàn)B/C在百GeV/n以下能區(qū)確實(shí)符合單一冪律分布，其譜指數(shù)非常接近-1/3，被認(rèn)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(shí)驗(yàn)因測(cè)量精度的限制無(wú)法給出準(zhǔn)確的探測(cè)結(jié)果，不能對(duì)現(xiàn)有的宇宙線(xiàn)傳播模型給出有效檢驗(yàn)。
“悟空”號(hào)是我國(guó)發(fā)射的第一顆用于空間高能粒子觀測(cè)的衛(wèi)星，其核心科學(xué)目標(biāo)除了通過(guò)對(duì)電子宇宙線(xiàn)和伽馬射線(xiàn)的觀測(cè)來(lái)間接探測(cè)暗物質(zhì)粒子，還包括通過(guò)探測(cè)宇宙線(xiàn)核素粒子來(lái)研究宇宙線(xiàn)的加速和傳播機(jī)制。和國(guó)際上其他類(lèi)似探測(cè)設(shè)備相比，“悟空”號(hào)覆蓋能段寬、能量測(cè)量準(zhǔn)、粒子鑒別強(qiáng)，特別是具備優(yōu)異的電荷分辨本領(lǐng)，可以對(duì)高能宇宙線(xiàn)核素粒子進(jìn)行高精度鑒別（圖1）。
10月14日，基于其收集到的前六年觀測(cè)數(shù)據(jù)，“悟空”號(hào)國(guó)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(cè)量結(jié)果（圖2）。這是國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)對(duì)1 TeV/n以上B/C和B/O進(jìn)行精確測(cè)量，能量上限比阿爾法磁譜儀（AMS-02）實(shí)驗(yàn)高出5倍。“悟空”號(hào)的探測(cè)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(hào)首次以高置信度發(fā)現(xiàn)宇宙線(xiàn)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(xiàn)傳播理論需要進(jìn)行重要的修改。該結(jié)果對(duì)揭示宇宙線(xiàn)的傳播機(jī)制以及星際介質(zhì)的湍動(dòng)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(xiàn)的暗物質(zhì)間接探測(cè)的天體物理背景需要重新估計(jì)。
上述研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院、江蘇省的多個(gè)項(xiàng)目的支持。
論文鏈接
圖1 “悟空”號(hào)測(cè)量的電荷譜
圖2 “悟空”號(hào)探測(cè)的10 GeV/n-5.6TeV/n能段宇宙線(xiàn)硼/碳比（左）和硼/氧比（右）隨能量的變化。圖取自DAMPE collaboration (2022 Sci. Bull.)
標(biāo)簽： 暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星 高能粒子觀測(cè)
