暗物質粒子探測器已測量出高精度的銀河系宇宙射線能量譜

暗物質粒子探測器(DAMPE)合作組織首次直接觀察到氦核在約34TeV的光譜軟化。這項工作是基於DAMPE記錄的動能從70GeV到80TeV(每個核子17.5GeV/n到20TeV/n)的氦氣光譜的測量數據。相關結果發表在《物理評論快報》上。

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銀河系宇宙射線(GCRs)為深入了解天體物理粒子的起源和加速器以及銀河系的星際介質提供了重要途徑。氦核是宇宙射線中第二豐富的核元素,是空間的一個顯著特徵。

至於GCR,當能量低於 “膝蓋”(在3-4 PeV)時,能量譜應該遵循負冪律分佈。然而,最近的實驗觀察到,在動能為幾百GeV/n時,頻譜變“硬”,這表明可能有新的GCRs來源和加速機制。

在這項研究中,使用4.5年的DAMPE飛行數據測量了從70 GeV到80 TeV的GCR氦氣譜。DAMPE所達到的最大可測硬度比丁肇中教授領導的阿爾法磁譜儀(AMS-02)所檢測到的硬度提高了10倍。結果證實了以前在實驗中由AMS-02測量的氦氣譜的硬化特徵,最終數據在1.2TeV左右,給出了24.6σ的高重要性。此外,在34TeV左右進一步揭示了一個軟化特徵,其重要性為4.3σ。

DAMPE合作組織在2019年發表了宇宙射線質子譜的測量結果(Science Advances),並觀察到在約14TeV處的光譜指數的變化。與DAMPE質子譜相比,DAMPE氦核譜顯示了類似的趨勢,這意味着冪律譜指數γ的變化可能取決於粒子電荷,儘管目前的數據不能排除質量依賴性軟化的限制。

在這項工作中,中國科技大學粒子探測與電子學國家重點實驗室的黃光順教授和張雲龍教授領導的團隊通過研究BGO量熱儀對離子的電離能量響應,首次確定了BGO晶體對相對論重離子的淬滅效應。魏一峰教授量化了不同能量的離子的淬滅因子,這項工作有效地幫助了氦氣能譜的重建。

BGO量熱儀是DAMPE能量測量的主要子探測器,由中國科技大學安琪教授和劉樹斌教授領導的團隊設計,與其他在軌探測器相比,它覆蓋的能量範圍更廣,具有更好的能量分辨率和粒子識別能力。

這些結果表明,地球附近存在一個產生質子和氦核的宇宙射線加速器,軟化能量與它的上限值有關,這擴展了我們對GCR來源和加速機制的理解。