近代物理所參與研制的“悟空”號衛星在宇宙線質子能譜測量中獲得重大成果

  

  質子是宇宙線中豐度最高的粒子,占比超過90%,其能譜的精確測量對于研究宇宙線物理至關重要。傳統的宇宙線加速和傳播模型預測宇宙線能譜應服從冪律分布。然而,近年的直接觀測實驗(如氣球實驗ATICCREAM和空間實驗PAMELAAMS-02CALET)發現質子能譜在數百GeV能量處能譜出現拐折,偏離單一冪律分布,這對傳統理論模型提出了挑戰。理論家提出了多種模型理解該能譜拐折的成因,區分這些模型仍有待更高能段的更加精確的能譜觀測。但在TeV及更高能段,前述實驗因測量手段以及測量精度的限制無法給出準確的探測結果,不同實驗結果差別顯著,不能對物理模型給出判別。 

  “悟空”號衛星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粒子,還能精確測量宇宙線質子以及核素能譜。與采用同類型探測器技術的日本CALET實驗相比,“悟空”號的電荷分辨能力明顯占優。 

  北京時間2019928日,Science Advances 期刊發表了“悟空”號宇宙線質子從40GeV100TeV能段的精確能譜測量結果,如圖1所示。這是國際上首次利用空間實驗實現對高達100TeV的宇宙線質子能譜進行精確測量,該結果的能量上限比丁肇中先生領導的阿爾法磁譜儀(AMS-02)實驗高出近50倍,比日本科學家領銜的CALET實驗最新結果高出10倍。 

  “悟空”號的測量結果確認了質子能譜在數百GeV處的變硬行為。更為重要的是,“悟空”號首次發現質子能譜在約14 TeV出現明顯的能譜變軟結構,這一新的結構很可能是由近鄰個別宇宙線源留下的印記,其加速上限即對應于拐折能量。“悟空”號的結果對揭示高能宇宙線的起源以及加速機制具有十分重要的意義。 

  近代物理研究所負責研制了“悟空”號的塑閃陣列探測器(PSD)。產品順利交付后,承擔了后續的PSD在軌精確標定刻度任務并參與了物理數據分析工作。在軌精確標定任務表明PSD能夠實現宇宙射線中不同帶電粒子核電荷數(Z)的高水平鑒別,電荷分辨水平高達[email protected]=1[email protected]=26,在40 GeV100 TeV能段的精確能譜測量中發揮了關鍵作用。 

  文章鏈接地址: https://advances.sciencemag.org/content/5/9/eaax3793 

 

   1 “悟空”號電荷譜(左)和CALET探測器電荷譜(右) 

 

   2 “悟空號探測的40 GeV-100 TeV能段宇宙線質子能譜(紅點)。(2019 Sci. Adv.) 

 

   3  PSD在軌電荷測量結果 

(放射性束物理室 供稿)

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