悟空號獲得TeV-100 TeV能區最精確的質子宇宙線能譜并發現新的譜結構
我們賴以生存的地球無時無刻不在經受來自外太空中高能粒子的轟擊，這些粒子包括各種原子核、正負電子、高能伽馬射線和中微子等，它們統稱為宇宙線。人類對宇宙線的觀測和研究已經長達一個世紀。宇宙線曾經對基本粒子物理學科起到了非常重要的作用，人們從宇宙線中發現了一大批新粒子。宇宙線和物質的相互作用就像天然的對撞機，而其能量可以遠遠高于人造加速器的能量，給我們提供了豐富的關于物質基本結構及其相互作用規律的知識。宇宙線同時攜帶了宇宙中極端天體現象和環境的信息，對相關天體物理研究也意義重大。但時至今日，關于宇宙線的起源、加速機制以及它們在星際空間和星系際空間中的傳播及相互作用等基本問題依然沒有得到徹底的解答。
質子是宇宙線中豐度最高的粒子，占比約90%。對質子能譜的精確測量有助于理解宇宙線物理的基本問題。事實上，由于巨大的技術挑戰，宇宙線的直接觀測長期以來進展緩慢，而且測量誤差很大，直到本世紀才陸續取得突破，并對傳統理論模型帶來挑戰。例如，經典的宇宙線加速和傳播模型預測宇宙線能譜應服從冪律分布。然而近些年的直接觀測實驗（如氣球實驗ATIC、CREAM和空間實驗PAMELA、AMS-02、CALET）發現質子能譜在數百GeV能量處出現拐折（能譜變硬，即高能粒子數目比按照單一冪律能譜外推顯得更多），偏離單一冪律分布。經典理論模型不能解釋該現象，理論家提出了多種模型來理解該能譜拐折的成因，區分這些模型急需更高能段的更加精確的能譜觀測。其中一個核心的問題即在數百GeV至數百TeV能區中是否存在新的能譜結構。但是在TeV及更高能段，前述實驗因測量手段以及測量精度的限制無法給出準確的探測結果，從而也無法對物理模型予以甄別。
我國于2015年底發射的首顆天文衛星“悟空”號的核心科學目標之一就是對宇宙線質子以及核素能譜進行精確測量，發現或排除新的能譜結構。與采用同類型探測器技術的國際空間站CALET實驗相比，悟空號在統計量和電荷分辨能力上都更具有優勢（見圖1）。
北京時間2019年9月28日，基于其收集到的前兩年半數據，“悟空”號國際合作組在Science Advances雜志發表了從40 GeV到100 TeV能段的宇宙線質子精確能譜測量結果，如圖2所示。這是國際上首次利用空間實驗實現對高達100 TeV的宇宙線質子能譜的精確測量，該能量上限比丁肇中先生領導的阿爾法磁譜儀（AMS-02）實驗高出約50倍，比日本科學家領銜的CALET實驗最新結果高出10倍。
“悟空”號的測量結果確認了質子能譜在數百GeV處的變硬行為。更為重要的是，“悟空”號首次發現質子能譜在約14 TeV出現明顯的能譜變軟結構，這一新的結構很可能是由近鄰個別宇宙線源留下的印記，拐折能量即對應于其加速上限（圖3）。“悟空”號的結果對揭示高能宇宙線的起源以及加速機制具有十分重要的意義。
圖 3 解釋“悟空”號質子能譜的一個理論模型
2017年以來，“悟空”號相繼在電子、質子宇宙線測量方面取得突破性進展，標志著我國的空間高能粒子探測研究已躋身世界最前列。“悟空”號目前已經進入延壽運行階段，積累了大量的高質量數據。“悟空”號合作組將陸續發表宇宙線氦核及其他更重的核素能譜測量結果，可望測出不同宇宙線核素能譜拐折能量，這將為揭示高能宇宙線的加速機制或與星際介質的相互作用等物理問題提供關鍵信息。
論文鏈接 https://advances.sciencemag.org/content/5/9/eaax3793
悟空號是中國科學院空間科學戰略先導專項所支持的空間科學衛星系列的首發星。該衛星的數據分析工作獲得國家重點研發計劃、國家自然科學基金委員會-中國科學院空間科學衛星聯合基金、國家基金委杰出青年基金/優秀青年基金、中國科學院等項目的大力支持。