暗物质卫星“悟空”号发现宇宙线硼/碳、硼/氧比能谱新结构 [2022-10-21]

“悟空”暗物质粒子探测卫星DAMPE国际合作组利用卫星前六年观测数据分析得到10 GeV/n到5.6 TeV/n能段宇宙线硼/碳比和硼/氧比的精确测量结果，并发现能谱在100 GeV/n处“变硬”的新结构，研究成果于2022年10月14日在线发表于我国综合类学术期刊《Science Bulletin》（《科学通报》英文版）上。

图1. 天体活动产生原初的宇宙线碳、氧等核素，在传播过程中产生次级的硼核

 宇宙线硼/碳比和硼/氧比是研究宇宙线传播模型的重要探针。在宇宙线中，碳核、氧核是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（图1）。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作用过程。上个世纪40年代至60年代建立起来的经典的宇宙线传播模型预测B/C和B/O随能量的变化应服从单一幂律分布，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等）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，且谱指数非常接近-1/3，被认为是建立于1941年Kolmogorov 湍流扩散理论的直接证据。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。

 DAMPE合作组基于2016年~2021年的卫星观测数据，获得了10 GeV/n到5.6TeV/n能段宇宙线B/C和B/O的精确测量结果，如图2所示。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。该结果首次发现了宇宙线B/C和B/O在相同能量（约100 GeV/n）处出现变硬的行为，置信度分别达到5.6σ（B/C）和6.9σ（B/O），显示了明显偏离单一幂律分布的行为特征，对经典的宇宙线传播理论提出了挑战。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。

 我校核探测与核电子学国家重点实验室黄光顺教授、张云龙教授和魏逸丰副研究员在该分析工作中做出了重要贡献。科大团队是合作组内的平行分析团队之一，独立分析研究了硼、碳、氧三种核素的能谱，解决了粒子鉴别、效率估计、本底估计等一系列关键问题，观测到硼碳比、硼氧比能谱上的变硬新结构。

图2.“悟空”号探测的10 GeV/n-5.6TeV/n能段宇宙线硼/碳比（左）和硼/氧比（右）随能量的变化。图取自DAMPE collaboration (2022 Sci. Bull.)

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2095927322004492

 背景介绍：“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DAMPE合作组执行委员会成员，张云龙教授担任DAMPE合作组执行委员会成员及宇宙线分析组组长，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。