“悟空”号发现宇宙线硼/碳比能谱新结构 经典宇宙线传播理论或将修改

　　【化工仪器网 项目成果】宇宙线亦称为宇宙射线，是来自外太空的带电高能次原子粒子，包括各种原子核、电子、高能伽马射线和中微子等。大约89%的宇宙线是单纯的质子，10%是氦原子核(即α粒子)，还有1%是重元素。经由宇宙线核合成的过程，宇宙线对宇宙中锂、铍、和硼的产生，扮演着主要的角色。宇宙线也可能会产生二次粒子穿透地球的大气层和表面。
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　　在宇宙线中，碳核、氧核等属于恒星核合成过程中产生的原初粒子，而硼核则主要是碳核、氧核在传播过程中和星际物质发生碰撞后产生的次级粒子。因此，通过对宇宙线中硼/碳(B/C)和硼/氧(B/O)流量比的精确测量可以研究宇宙线在传播路径上的相互作用过程。上个世纪40年代至60年代建立起来的经典宇宙线传播模型预测B/C和B/O随能量的变化服从单一幂律分布，且谱指数应为-1/3或-1/2。近些年的直接观测实验(如PAMELA、AMS-02)发现宇宙线B/C在百GeV/n以下能区确实符合单一幂律分布，其谱指数非常接近-1/3，被认为是建立于1941年Kolmogorov星际介质湍流理论的直接证据。但在更高能区，尤其是TeV/n以上，前述实验因测量精度的限制无法给出准确的探测结果，不能对现有的宇宙线传播模型给出有效检验。
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　　“悟空”号暗物质粒子探测卫星(DAMPE)是中国科学院空间科学战略性先导科技专项中首批立项研制的4颗科学实验卫星之一，主要科学目标是以更高的能量和更好的分辨率来测量宇宙射线中正负电子之比，以找出可能的暗物质信号。和国际上其他类似探测设备相比，“悟空”号覆盖能段宽、能量测量准、粒子鉴别强，特别是具备优异的电荷分辨本领，可以对高能宇宙线核素粒子进行高精度鉴别。
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　　10月14日，基于其收集到的前六年观测数据，“悟空”号国际合作组获得了10 GeV/n到5.6 TeV/n能段的B/C和B/O的精确测量结果(图2)。这是国际上首次实现对1 TeV/n以上B/C和B/O进行精确测量，能量上限比阿尔法磁谱仪(AMS-02)实验高出5倍。“悟空”号的探测结果表明，在宽能段范围内B/C和B/O明显偏离单一幂律分布的行为特征。
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　　“悟空”号首次以高置信度发现宇宙线B/C和B/O在相同能量(约100 GeV/n)处出现变硬的行为，意味着经典的宇宙线传播理论需要进行重要的修改。该结果对揭示宇宙线的传播机制以及星际介质的湍动属性具有十分重要的意义，也意味着之前基于反物质宇宙线的暗物质间接探测的天体物理背景需要重新估计。
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　　相关成果Detection of spectral hardenings in cosmic-ray boron-to-carbon and boron-to-oxygen flux ratios with DAMPE于10月14日在线发表在《Science Bulletin(科学通报)》上。
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　　参考来源：紫金山天文台
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