Mest præcise målinger af kosmiske stråleproton- og heliumspektre over TeV

Dark Matter Particle Explorer (DAMPE)-samarbejdet rapporterede den præcise måling af energispektret af heliumkerner fra kosmisk stråle fra 70 GeV til 80 TeV-energier den 18. 2021.

For første gang, DAMPE afslører en blødgørende struktur ved omkring 34 TeV energier i heliumspektret med en høj signifikans (~4,3σ). Sammen med den blødgørende energi fra DAMPE-protonspektret, resultaterne stemmer overens med en ladningsafhængig blødgøringsenergi af protoner og heliumkerner.

Den almindelige blødgøring er sandsynligvis et aftryk af en nærliggende kosmisk strålekilde, f.eks., en supernova-rest. Den blødgørende energi, som sandsynligvis er Z-afhængig for protoner og heliumkerner, svarer til accelerationens øvre grænse for en sådan nærliggende kilde.

DAMPE, også kendt som "Wukong, " er en rumsatellit dedikeret til højenergi observationer af kosmisk stråle og gammastråler. Udover at undersøge naturen af ​​mørkt stof partikler, et af de vigtigste videnskabelige mål for DAMPE er præcist at måle energispektrene for kosmiske strålepartikler.

DAMPE har en fremragende energiopløsning (for elektroner og gammastråler), en meget god partikelidentifikationsevne, og en rimelig stor accept, hvilket gør den velegnet til studier af præcise spektrale strukturer af kosmiske stråler.

Kosmiske stråler (CR'er) er energiske partikler, der kommer fra det ydre rum. De består for det meste af kerner af forskellige grundstoffer, sammen med små mængder elektroner/positioner, gammastrålefotoner, og neutrinoer.

Kosmiske stråler menes generelt at stamme fra ekstreme astrofysiske objekter, f.eks. supernova-rest (SNR), tilvækst ved sort hul, osv. Derfor CR'er er en unik sonde til at udforske de astrofysiske love under ekstreme miljøer. Oprindelsen, acceleration, og udbredelse af CR'er er meget interessante og grundlæggende spørgsmål i moderne fysik og astrofysik, som forbliver ubesvarede efter en århundrede lang observation og forskning.

Energispektret af CR'er, som repræsenterer forholdet mellem partikelflux og energi, forventes at være en magtlovsform ifølge den kanoniske chokacceleration af partikler. Præcis måling af energispektret af CR'er er nøglen til at forstå disse fundamentale spørgsmål om kosmisk strålefysik.

Protoner og heliumkerner, er de to mest rigelige komponenter af kosmiske stråler, som tegner sig for mere end 99% af de samlede kosmiske stråler. Den fremragende ladeopløsning gør det muligt for DAMPE at have en kraftfuld evne til at identificere proton og helium, og mål præcist deres spektre hhv. Fig. 1 viser den fremragende ladningsmåling af DAMPE ved to typiske energier.

Siden lanceringen i slutningen af ​​2015, DAMPE-detektoren har arbejdet meget stabilt i kredsløb i fire år. Betydelige fremskridt i observationerne af kosmiske stråleelektroner/positioner, protoner, og heliumkerner er blevet opnået. Med den kontinuerlige drift og dataindsamling af DAMPE, det forventes, at flere og flere data af høj kvalitet vil kaste nyt lys over de grundlæggende spørgsmål om kosmisk strålefysik.

Med de første 30 måneders on-orbit data, DAMPE-samarbejdet opnåede den præcise måling af energispektret af kosmiske stråleprotoner fra 40 GeV til 100 TeV energier. DAMPE-resultatet viser, at protonspektret ikke er kompatibelt med paradigmet om en unik magtlov i et bredt energiområde.

Især, DAMPE opdagede for nylig en spektral "blødgøring" (dråbeadfærd) ved omkring 14 TeV energier. Brudenergien forventes at være accelerationsgrænsen for en mulig nærliggende kosmisk strålekilde.

DAMPE-resultatet har væsentligt forbedret målenøjagtigheden af ​​heliumspektrum i energiområdet over TeV. Spektret af CR-helium viser en meget lignende TeV-struktur med den af ​​CR-proton, hvilket antyder en fælles oprindelse for dem.