“悟空”探测宇宙线“超铁”元素 首次获得高精度TeV能区宇宙线镍核能谱

近日，中国科学技术大学常进院士领导的“悟空”号（DAMPE）科学团队在高能宇宙线直接观测方面取得重要进展。科学团队基于DAMPE在轨观测数据获得了10 GeV/n – 2 TeV/n镍核微分通量谱。该结果以“Measurement of the Cosmic Ray Nickel Energy Spectrum from 10 GeV/n to 2 TeV/n with the DAMPE Space Mission”为题发表在国际学术期刊《物理评论快报》上。

宇宙线中超铁元素的起源是长期困扰科学界的难题。一般认为，宇宙线元素主要诞生于恒星内部的核聚变过程，但由于铁原子核具有最高的比结合能，恒星内的聚变反应通常在产生铁附近的元素后便难以继续。比铁更重的元素，其形成机制一般被归因于中子俘获等不同的核合成过程。由于超铁元素的丰度通常比铁低至少一个数量级，目前宇宙线中超铁元素的测量结果十分稀少。大部分实验仅给出了不同元素的相对丰度；少数实验虽测量了宇宙线镍的微分通量谱，能量上限也仅有几百GeV/n。

“悟空”号是中国科学院空间科学战略性先导科技专项的首发星，也是我国首颗空间天文卫星。其科学目标包括通过测量宇宙线电子间接探测暗物质、精确测量宇宙线元素能谱，以及开展伽马射线天文研究。卫星于2015年底成功发射，已在轨稳定运行超过10年，累计下传近200亿个高能粒子数据。与国际同类空间高能粒子探测设备相比，“悟空”号不仅覆盖能段宽、能量测量准、粒子甄别能力强，还具有更大的接收度，这为测量宇宙线中诸如超铁元素等低丰度元素的能谱提供了有利条件。

在该项研究成果中，科研团队基于9年数据首次将宇宙线中镍元素的能谱测量拓展到2 TeV/n的高能段，提升约一个量级。结果显示，镍能谱的形状与铁能谱呈现出明显的相似性，且镍铁丰度比在这一能段内近似为常数，这有力表明两种元素可能拥有相似的起源、传播和加速机制。该发现为理解宇宙线中超铁元素的合成路径提供了新证据，将推动相关理论模型的进一步完善。

此项成果由我校与近代物理研究所、中国科学院紫金山天文台、高能物理研究所以及瑞士日内瓦大学、意大利多家研究机构共同完成。 物理学院黄光顺教授、张云龙教授、魏逸丰副教授团队主导了该分析工作，博士生孙浩然是该论文的主要完成人。

图1.DAMPE观测的10GeV/n–2TeV/n镍核微分通量谱。

图2.DAMPE观测的镍铁比近似为常数。

该研究得到了国家自然科学基金委、科技部的大力支持。

论文链接：https://doi.org/10.1103/p9zs-g8ky

背景介绍：

“悟空”号的载荷核心分系统BGO量能器，由我校原核探测与核电子学国家重点实验室研制。自2009年起，该实验室作为重要成员参与了卫星工程前期论证和预研工作，并完成了地面原理样机研制。

2012年“悟空”卫星工程正式立项后，该团队攻克了“BGO晶体大动态范围读出”关键技术难题，成功研制了BGO量能器。2015年暗物质粒子探测卫星科学合作组正式成立，该实验室师生在科学合作组中承担了重要研究任务，深入参与“悟空”卫星在轨探测和科学数据分析工作。

系列重要物理成果的陆续产出，也充分印证了该团队研制的BGO量能器性能优异、质量可靠。

(粒子科学与技术中心、近代物理系、物理学院、科研部)