暗物质卫星“悟空”获得高精度高能宇宙线氦核能谱

2021年05月22日

暗物质卫星“悟空”获得高精度高能宇宙线氦核能谱

高能宇宙线是研究天体粒子起源、加速机制，及银河系星际介质的重要探针。氦核是宇宙线中丰度第二高的核素，具有重要的研究价值。对银河系宇宙线，理论模型显示在“膝”区（3 – 4 PeV）以下，能谱应该服从单一负幂律分布，但近些年，多个宇宙线观测实验发现了在数百GeV/n处存在能谱变硬的现象，这预示着银河系宇宙线可能存在新的起源和加速机制。

近日，暗物质粒子探测卫星（“悟空”，DAMPE）国际合作组在高能宇宙射线领域取得重要进展。DAMPE合作组基于DAMPE在轨数据获得了70 GeV – 80 TeV氦核素微分通量谱（对应每核子能量为17.5 GeV/n – 20 TeV/n），首次直接观测到氦核素在~34 TeV位置的能谱软化现象。相关成果发表在《物理评论快报》上（Phys. Rev. Lett. 126, 201102 (2021)）。
本次DAMPE合作组基于4.5年的观测数据，发表了70 GeV – 80 TeV的宇宙线氦核能谱，其能量上限比丁肇中先生领导的阿尔法磁谱仪（AMS-02）实验高出10倍。该结果以24.6σ的置信程度确认了之前AMS02实验发现的氦核能谱于~1.2 TeV处的变硬的现象，并以4.3σ的置信程度观测到了~34 TeV处能谱变软的拐折迹象。DAMPE合作组在2019年已经发表了质子宇宙线能谱的测量结果，其中指出能量约14 TeV处能谱存在拐折结构（Science Advances 5.9: eaax3793 (2019)）。联合DAMPE质子与氦核的结果，两者能谱体现出非常类似的行为，表明宇宙线的谱指数变化可能存在与粒子携带电荷的相关性，但在目前的实验精度下尚无法完全排除谱指数与粒子的质量相关的可能性。这一新的拐折结构及其电荷依赖的特性预示着宇宙质子和氦可能都来自邻近地球的某个宇宙线加速源，拐折能量对应于该源的加速上限。该结果对人们理解高能宇宙线的起源以及加速机制有着重要的意义。
核探测与核电子学国家重点实验室黄光顺教授、张云龙教授带领的科学分析团队在本次的氦核能谱分析工作中作出了重要贡献。科大团队结合地面束流测试和在轨数据，系统的研究了BGO量能器对高能重离子的能量响应，首次发现了BGO晶体对相对论重离子存在荧光猝灭效应，并量化了一系列猝灭因子，为精确重建出氦核素能谱发挥重要作用。魏逸丰副研究员对该猝灭因子的研究做出了直接贡献。
“悟空”暗物质卫星成功发射于2015年12月17日，DAMPE合作组由中国科学院紫金山天文台、中国科学技术大学、高能物理研究所、近代物理研究所，以及瑞士日内瓦大学、意大利国家核物理研究所、佩鲁贾大学、巴里大学,萨兰托大学、格兰萨索科学研究所等单位组成。中国科学技术大学核探测与核电子学国家重点实验室在载荷研制和在轨科学数据分析中都承担着重要职责。“悟空”号载荷的核心分系统BGO量能器由我校核探测与核电子学国家重点实验室安琪教授、刘树彬教授带领团队研制，为目前世界上在轨运行的观测能段范围最宽、能量分辨率最优、粒子鉴别能力最强的量能器；黄光顺教授担任卫星工程科学应用系统副总师及在轨科学数据分析合作组执行委员会成员，带领科大团队参与科学应用系统的建设及在轨科学数据分析工作。

图1. “悟空”号观测的70 GeV - 80 TeV能段（对应图中横轴每核子能量17.5 GeV/n – 20 TeV/n）宇宙线氦核能谱（红点）。图取自DAMPE collaboration, Phys. Rev. Lett. 126, 201102 (2021)。
论文链接：
https://journals.aps.org/prl/abs ... sRevLett.126.201102

(中国科学技术大学粒子科学与技术中心、核探测与核电子学国家重点实验室、物理学院、科研部)

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