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暗物质卫星“悟空”获得高精度高能宇宙线氦核能谱

发稿时(shi)间:2020-05-21浏览次数:10

   高能宇(yu)宙(zhou)线是研究天(tian)体(ti)粒子起(qi)(qi)源(yuan)、加速(su)机(ji)制,及银河系星际介(jie)质(zhi)的重要探针。氦核(he)是宇(yu)宙(zhou)线中(zhong)丰(feng)度第二高的核(he)素,具有重要的研究价(jia)值。对银河系宇(yu)宙(zhou)线,理(li)论模型显示在“膝”区(3 – 4 PeV)以下,能谱(pu)应该服(fu)从单一负幂(mi)律分布,但近些年(nian),多个宇(yu)宙(zhou)线观(guan)测实验发现(xian)了(le)在数百(bai)GeV/n 处存(cun)(cun)在能谱(pu)变硬(ying)的现(xian)象,这预示着银河系宇(yu)宙(zhou)线可能存(cun)(cun)在新的起(qi)(qi)源(yuan)和(he)加速(su)机(ji)制。

   近日,暗物(wu)质粒(li)子(zi)探测卫星(“悟空”,DAMPE)国际合作组在高(gao)能(neng)宇宙(zhou)射线领(ling)域取得重要进展。DAMPE合作组基(ji)于DAMPE在轨数据获(huo)得了70 GeV – 80 TeV氦核素(su)微(wei)分通量谱(对应每核子(zi)能(neng)量为17.5 GeV/n – 20 TeV/n),首(shou)次(ci)直接观(guan)测到氦核素(su)在~34 TeV位置(zhi)的能(neng)谱软化现(xian)象。相(xiang)关成(cheng)果发表在《物(wu)理评论快(kuai)报》上(Phys. Rev. Lett. 126, 201102 (2021))。

   本次(ci)DAMPE合(he)作(zuo)组基于4.5年的(de)(de)(de)(de)观测数(shu)据,发(fa)表了(le)(le)70 GeV – 80 TeV的(de)(de)(de)(de)宇宙线(xian)(xian)氦核(he)能(neng)(neng)(neng)谱(pu),其(qi)(qi)能(neng)(neng)(neng)量上(shang)限比丁肇中(zhong)(zhong)先生领(ling)导的(de)(de)(de)(de)阿(a)尔法(fa)磁谱(pu)仪(yi)(AMS-02)实(shi)验高(gao)出(chu)(chu)10倍。该结(jie)(jie)果以24.6σ的(de)(de)(de)(de)置信(xin)(xin)程(cheng)度(du)(du)确(que)认了(le)(le)之前AMS02实(shi)验发(fa)现(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)氦核(he)能(neng)(neng)(neng)谱(pu)于~1.2 TeV处(chu)的(de)(de)(de)(de)变(bian)硬的(de)(de)(de)(de)现(xian)(xian)象,并以4.3σ的(de)(de)(de)(de)置信(xin)(xin)程(cheng)度(du)(du)观测到了(le)(le)~34 TeV处(chu)能(neng)(neng)(neng)谱(pu)变(bian)软的(de)(de)(de)(de)拐(guai)折(zhe)迹象。DAMPE合(he)作(zuo)组在2019年已经发(fa)表了(le)(le)质(zhi)子宇宙线(xian)(xian)能(neng)(neng)(neng)谱(pu)的(de)(de)(de)(de)测量结(jie)(jie)果,其(qi)(qi)中(zhong)(zhong)指出(chu)(chu)能(neng)(neng)(neng)量约14 TeV处(chu)能(neng)(neng)(neng)谱(pu)存在拐(guai)折(zhe)结(jie)(jie)构(gou)(Science Advances 5.9: eaax3793 (2019))。联合(he)DAMPE质(zhi)子与(yu)氦核(he)的(de)(de)(de)(de)结(jie)(jie)果,两(liang)者能(neng)(neng)(neng)谱(pu)体现(xian)(xian)出(chu)(chu)非常类似的(de)(de)(de)(de)行为,表明(ming)宇宙线(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)谱(pu)指数(shu)变(bian)化可能(neng)(neng)(neng)存在与(yu)粒子携带(dai)电荷(he)的(de)(de)(de)(de)相(xiang)关性(xing),但在目前的(de)(de)(de)(de)实(shi)验精度(du)(du)下(xia)尚无法(fa)完(wan)全排(pai)除谱(pu)指数(shu)与(yu)粒子的(de)(de)(de)(de)质(zhi)量相(xiang)关的(de)(de)(de)(de)可能(neng)(neng)(neng)性(xing)。这一新的(de)(de)(de)(de)拐(guai)折(zhe)结(jie)(jie)构(gou)及其(qi)(qi)电荷(he)依赖(lai)的(de)(de)(de)(de)特性(xing)预(yu)示着宇宙质(zhi)子和氦可能(neng)(neng)(neng)都(dou)来自邻(lin)近地球的(de)(de)(de)(de)某个宇宙线(xian)(xian)加(jia)速(su)源(yuan)(yuan),拐(guai)折(zhe)能(neng)(neng)(neng)量对(dui)应于该源(yuan)(yuan)的(de)(de)(de)(de)加(jia)速(su)上(shang)限。该结(jie)(jie)果对(dui)人们理解(jie)高(gao)能(neng)(neng)(neng)宇宙线(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)起源(yuan)(yuan)以及加(jia)速(su)机制有着重要的(de)(de)(de)(de)意义。

   核(he)(he)探测与核(he)(he)电子学(xue)国家重(zhong)(zhong)点实验室黄光(guang)顺(shun)教授、张云龙教授带领(ling)的(de)科学(xue)分析团队在本次的(de)氦核(he)(he)能(neng)谱分析工作(zuo)中(zhong)作(zuo)出了(le)重(zhong)(zhong)要(yao)贡献(xian)。科大团队结(jie)合地面束流测试和在轨数据,系(xi)统的(de)研(yan)究(jiu)了(le)BGO量(liang)能(neng)器对(dui)高能(neng)重(zhong)(zhong)离(li)子的(de)能(neng)量(liang)响(xiang)应(ying),首(shou)次发现(xian)了(le)BGO晶体对(dui)相(xiang)对(dui)论重(zhong)(zhong)离(li)子存在荧光(guang)猝灭效应(ying),并量(liang)化了(le)一(yi)系(xi)列猝灭因子,为精确重(zhong)(zhong)建(jian)出氦核(he)(he)素能(neng)谱发挥重(zhong)(zhong)要(yao)作(zuo)用。魏(wei)逸丰副研(yan)究(jiu)员对(dui)该猝灭因子的(de)研(yan)究(jiu)做(zuo)出了(le)直接贡献(xian)。

   “悟空”暗物质卫(wei)(wei)星成(cheng)(cheng)功发射于2015年12月17日,DAMPE合(he)作(zuo)组(zu)(zu)由中国科(ke)(ke)学(xue)(xue)院紫金山(shan)天文台、中国科(ke)(ke)学(xue)(xue)技(ji)术大(da)(da)(da)学(xue)(xue)、高能(neng)(neng)物理研(yan)(yan)究所(suo)、近(jin)代(dai)物理研(yan)(yan)究所(suo),以及(ji)瑞(rui)士日内瓦大(da)(da)(da)学(xue)(xue)、意(yi)大(da)(da)(da)利国家核(he)物理研(yan)(yan)究所(suo)、佩鲁(lu)贾大(da)(da)(da)学(xue)(xue)、巴里(li)大(da)(da)(da)学(xue)(xue), 萨(sa)兰托大(da)(da)(da)学(xue)(xue)、格兰萨(sa)索(suo)科(ke)(ke)学(xue)(xue)研(yan)(yan)究所(suo)等单位组(zu)(zu)成(cheng)(cheng)。中国科(ke)(ke)学(xue)(xue)技(ji)术大(da)(da)(da)学(xue)(xue)核(he)探(tan)测(ce)与核(he)电(dian)子(zi)学(xue)(xue)国家重(zhong)点(dian)实验室在(zai)(zai)(zai)(zai)载荷研(yan)(yan)制和在(zai)(zai)(zai)(zai)轨(gui)科(ke)(ke)学(xue)(xue)数(shu)据分析中都承担(dan)着(zhe)重(zhong)要(yao)职责。“悟空”号载荷的(de)核(he)心(xin)分系(xi)统BGO量能(neng)(neng)器(qi)由我校核(he)探(tan)测(ce)与核(he)电(dian)子(zi)学(xue)(xue)国家重(zhong)点(dian)实验室安琪教授(shou)、刘树彬教授(shou)带领团(tuan)队研(yan)(yan)制,为目(mu)前世界上在(zai)(zai)(zai)(zai)轨(gui)运行(xing)的(de)观测(ce)能(neng)(neng)段范围(wei)最(zui)宽(kuan)、能(neng)(neng)量分辨率最(zui)优、粒子(zi)鉴别能(neng)(neng)力最(zui)强的(de)量能(neng)(neng)器(qi);黄光顺教授(shou)担(dan)任卫(wei)(wei)星工程科(ke)(ke)学(xue)(xue)应(ying)用(yong)系(xi)统副(fu)总师及(ji)在(zai)(zai)(zai)(zai)轨(gui)科(ke)(ke)学(xue)(xue)数(shu)据分析合(he)作(zuo)组(zu)(zu)执行(xing)委员会成(cheng)(cheng)员,带领科(ke)(ke)大(da)(da)(da)团(tuan)队参与科(ke)(ke)学(xue)(xue)应(ying)用(yong)系(xi)统的(de)建设及(ji)在(zai)(zai)(zai)(zai)轨(gui)科(ke)(ke)学(xue)(xue)数(shu)据分析工作(zuo)。


图(tu)1. “悟空”号观测的(de)70 GeV - 80 TeV能段(对应图(tu)中横轴每(mei)核子能量(liang)17.5 GeV/n – 20 TeV/n)宇宙(zhou)线(xian)氦(hai)核能谱(红(hong)点(dian))。图(tu)取(qu)自(zi)DAMPE collaboration, Phys. Rev. Lett. 126, 201102 (2021)。

   论文链接(jie):


(中国科学(xue)技(ji)术(shu)(shu)大(da)学(xue)粒子科学(xue)与(yu)(yu)技(ji)术(shu)(shu)中心、核探测与(yu)(yu)核电子学(xue)国家重点实验(yan)室、物理学(xue)院、科研部)

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