摸到宇宙线能谱的“膝”又抓住了“肘”

拉索在宇宙线起源探索上又取得一项关键进展

2024-04-03 08:38 文露敏 2795 点击

笔者日前从中国科学院高能物理研究所获悉,位于甘孜州稻城县的高海拔宇宙线观测站“拉索”(LHAASO)在宇宙线起源探索上又取得一项关键进展——以前所未有的精度,测量了“膝”区宇宙线能谱的变化,并首次在该能量区域内,观测到宇宙线核子成分的平均质量分布呈现出的“肘”状结构。

“膝”是宇宙线的能谱(宇宙线数量在粒子能量上的分布)在4千万亿电子伏附近呈现出的一个拐折结构,形状类似人体膝关节,“膝”的成因之谜困扰科学家近70年。此次发现提供了新线索,被审稿人称为“领域重要的里程碑”,为进一步揭开宇宙线起源之谜打开了新大门。

3月26日,相关文章以编辑推荐亮点文章的形式在Physical Review Letters(《物理评论快报》)上在线发表。该工作由中国科学院高能物理研究所牵头的“拉索”国际合作组完成。论文通讯作者为中国科学院高能物理研究所研究员张恒英、何会海,以及山东大学前沿交叉科学青岛研究院粒子科学技术研究中心教授冯存峰。

“膝”为何重要?

宇宙线是从外太空来的带电粒子,如同夜空中的流星,不断以惊人的高速撞击着地球,它的起源是当代天体物理学最重大的前沿科学问题之一,也是“拉索”的核心科学目标。

宇宙线的能谱,就像一把解答宇宙线起源之谜的“钥匙”,其变化密切关联着宇宙线的起源及其穿越宇宙空间的方式。此前,“拉索”在全球首次找到能量高于1亿亿电子伏的宇宙线的起源天体,正是以“膝”为标——人类第一次在银河系找到能量超过“膝”的宇宙线源,也就意味着,有天体把宇宙线加速到这么高能量,让能量从“膝”以下,升高到“膝”的10倍。

那么,“膝”从何而来?冯存峰介绍,目前主要的一类模型,认为“膝”与宇宙线核子的电荷相关,比如,宇宙线源的加速能力存在上限,从而导致宇宙线能谱在上限处发生拐折;还有一类模型认为,其与宇宙线核子的质量数相关,当宇宙线能量超过一定阈值后,会打开一种新的反应道或产生新的粒子,引起宇宙线能量耗散速度加快,导致能谱的拐折。

如何检验这些“答案”?冯存峰说:“可以测量宇宙线不同成分在‘膝’处的能量。”然而,科学家至今得到的“膝”区宇宙线成分的资料有限,因此,这些模型还都属于“假说”,需要更多成分测量信息对它们进行验证。

解析宇宙线“碎片”

当高能宇宙线穿透大气层到达地球时,与大气分子发生碰撞并碎裂,只留下零散的“碎片”落入探测网。借助这些“碎片”,可以推算出原初粒子的信息。

坐落在海拔4410米的稻城海子山上的“拉索”,部署了包括5216个电磁粒子探测器和1188个缪子探测器组成的一平方公里地面簇射粒子探测器阵列、7.8万平方米水切伦科夫探测器阵列以及18台广角切伦科夫望远镜。这样的复合式地面粒子探测器阵列,能很好地捕捉到“碎片”信号,包括带电的电磁粒子和穿透力极强的缪子。

张恒英介绍,捕捉到大量“碎片”后,研究团队在“膝”区宇宙线簇射发展的极大处,通过组合电磁粒子和缪子信息,实现“量能器”式能量测量,显著降低了地面间接实验中能量测量对宇宙射线成分和相互作用模型的依赖,大幅提高了能量测量的精度,给出了目前国际上最准确的“膝”区宇宙线能谱测量结果。同时,构造了一个对宇宙线平均质量敏感的“秤”,精确称量了“膝”区宇宙线的平均质量,揭示了“膝”区宇宙线平均质量谱中前所未有的“肘”状结构。

“我们还发现,在能谱中发生拐折的宇宙线,主要由氢核和氦核等轻质成分构成。”张恒英说。可以说,此次成果为科学家研究“膝”区宇宙线的起源开辟了新的途径,是宇宙线研究领域的重大突破。未来,“膝”的成因乃至宇宙线的起源,有望加快“解密”。

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