暗物質(zhì)衛(wèi)星“悟空”獲得高精度高能宇宙線硼核能譜
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)常進(jìn)院士領(lǐng)導(dǎo)的“悟空”號(hào)（DAMPE）科學(xué)團(tuán)隊(duì)在高能宇宙線直接觀測方面取得重要進(jìn)展?？茖W(xué)團(tuán)隊(duì)基于DAMPE在軌數(shù)據(jù)獲得了10GeV/n–8 TeV/n硼核微分通量譜，首次發(fā)現(xiàn)了硼元素在182GeV/n處能譜“硬化”的現(xiàn)象。相關(guān)研究成果于5月13日以“Observation of a Spectral Hardening in Cosmic Ray Boron Spectrum with the DAMPE Space Mission”為題發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上（Phys. Rev. Lett.134, 191001(2025)）。雜志審稿人稱贊DAMPE實(shí)驗(yàn)在TeV能區(qū)“設(shè)立了新的精度標(biāo)準(zhǔn)（setting a new standard of precision）”。
高能宇宙線是研究天體粒子起源、加速機(jī)制，及銀河系星際介質(zhì)的重要媒介。次級(jí)宇宙線硼核是碳核、氧核等初級(jí)宇宙線在銀河系傳播的過程中碎裂形成，因此被認(rèn)為是研究宇宙線傳播機(jī)制及其相互作用的獨(dú)特探針。此次，“悟空”實(shí)驗(yàn)的結(jié)果比之前實(shí)驗(yàn)的觀測能區(qū)拓寬了一倍以上，并以8倍標(biāo)準(zhǔn)差顯著度首次觀測到硼核能譜在182±24 GeV/n處發(fā)生“硬化”現(xiàn)象，譜指數(shù)變硬程度為?γ=0.31±0.05（圖1）。與此前DAMPE的其它結(jié)果相比，硼核的變硬程度約為初級(jí)宇宙線質(zhì)子和氦核的兩倍（圖2），同時(shí)也與硼碳、硼氧比例的變硬程度自洽。宇宙線傳播理論指出，如果初級(jí)宇宙線由擴(kuò)散效應(yīng)導(dǎo)致譜指數(shù)存在?γ的變化，次級(jí)宇宙線譜則會(huì)出現(xiàn)2?γ變化。因此DAMPE實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以用傳播效應(yīng)來解釋。
這項(xiàng)成果由我校與紫金山天文臺(tái)、格蘭薩索科學(xué)研究所、日內(nèi)瓦大學(xué)聯(lián)合完成。物理學(xué)院黃光順教授、張?jiān)讫埥淌?、魏逸豐副教授團(tuán)隊(duì)在該分析工作中做出了重要貢獻(xiàn)。科大團(tuán)隊(duì)是DAMPE國際合作組內(nèi)的平行分析團(tuán)隊(duì)，在魏逸豐副教授具體指導(dǎo)下，博士生徐恩珩獨(dú)立研究了硼元素的粒子鑒別、效率估計(jì)、本底估計(jì)等一系列關(guān)鍵問題，完成了對硼能譜的分析工作。
圖1.DAMPE觀測的10GeV/n– 8 TeV/n硼核微分通量譜。
圖2.DAMPE觀測的硼核譜指數(shù)變硬程度?γ與質(zhì)子、氦核、硼碳比例、硼氧比例結(jié)果的對比。硼核的?γ約為其他結(jié)果的兩倍。
該研究得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部的大力支持。
論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.191001
背景介紹：
“悟空”暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星（英文縮寫DAMPE）是由常進(jìn)院士在紫金山天文臺(tái)工作期間推動(dòng)的項(xiàng)目，常進(jìn)院士是DAMPE首席科學(xué)家。衛(wèi)星于2015年12月17日成功發(fā)射，至今已取得一系列物理成果。合作組由中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、高能物理研究所、近代物理研究所，以及瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)、意大利國家核物理研究所、佩魯賈大學(xué)、巴里大學(xué), 薩蘭托大學(xué)、格蘭薩索科學(xué)研究所等單位組成。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)核探測與核電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在載荷研制和在軌科學(xué)數(shù)據(jù)分析中都承擔(dān)著重要職責(zé)：安琪教授、劉樹彬教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研制了“悟空”號(hào)載荷的核心分系統(tǒng)BGO量能器，是目前世界上在軌運(yùn)行的觀測能段范圍最寬、能量分辨率最優(yōu)、粒子鑒別能力最強(qiáng)的量能器；黃光順教授擔(dān)任衛(wèi)星工程科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)副總師及“悟空”合作組執(zhí)行委員會(huì)成員，張?jiān)讫埥淌趽?dān)任合作組執(zhí)行委員會(huì)成員及宇宙線分析組組長，帶領(lǐng)科大團(tuán)隊(duì)參與科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)的建設(shè)及在軌科學(xué)數(shù)據(jù)分析工作。魏逸豐副教授現(xiàn)擔(dān)任宇宙線分析組的召集人，在合作組內(nèi)共同組織了本次成果的研究工作。
(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)粒子科學(xué)與技術(shù)中心、核探測與核電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、物理學(xué)院、科研部)
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