暗物質衛星“悟空”獲得高精度高能宇宙線硼核能譜

中國科學技術大學常進院士領導的“悟空”號（DAMPE）科學團隊在高能宇宙線直接觀測方面取得重要進展。科學團隊基于DAMPE在軌數據獲得了10GeV/n–8 TeV/n硼核微分通量譜，首次發現了硼元素在182GeV/n處能譜“硬化”的現象。相關研究成果于5月13日以“Observation of a Spectral Hardening in Cosmic Ray Boron Spectrum with the DAMPE Space Mission”為題發表在國際學術期刊《物理評論快報》上（Phys. Rev. Lett.134, 191001(2025)）。雜志審稿人稱贊DAMPE實驗在TeV能區“設立了新的精度標準（setting a new standard of precision）”。

高能宇宙線是研究天體粒子起源、加速機制，及銀河系星際介質的重要媒介。次級宇宙線硼核是碳核、氧核等初級宇宙線在銀河系傳播的過程中碎裂形成，因此被認為是研究宇宙線傳播機制及其相互作用的獨特探針。此次，“悟空”實驗的結果比之前實驗的觀測能區拓寬了一倍以上，并以8倍標準差顯著度首次觀測到硼核能譜在182±24 GeV/n處發生“硬化”現象，譜指數變硬程度為?γ=0.31±0.05（圖1）。與此前DAMPE的其它結果相比，硼核的變硬程度約為初級宇宙線質子和氦核的兩倍（圖2），同時也與硼碳、硼氧比例的變硬程度自洽。宇宙線傳播理論指出，如果初級宇宙線由擴散效應導致譜指數存在?γ的變化，次級宇宙線譜則會出現2?γ變化。因此DAMPE實驗的結果可以用傳播效應來解釋。

這項成果由我校與紫金山天文臺、格蘭薩索科學研究所、日內瓦大學聯合完成。物理學院黃光順教授、張云龍教授、魏逸豐副教授團隊在該分析工作中做出了重要貢獻。科大團隊是DAMPE國際合作組內的平行分析團隊，在魏逸豐副教授具體指導下，博士生徐恩珩獨立研究了硼元素的粒子鑒別、效率估計、本底估計等一系列關鍵問題，完成了對硼能譜的分析工作。

圖1.DAMPE觀測的10GeV/n– 8 TeV/n硼核微分通量譜。

圖2.DAMPE觀測的硼核譜指數變硬程度?γ與質子、氦核、硼碳比例、硼氧比例結果的對比。硼核的?γ約為其他結果的兩倍。

該研究得到了國家自然科學基金委、科技部的大力支持。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.191001

背景介紹：

“悟空”暗物質粒子探測衛星（英文縮寫DAMPE）是由常進院士在紫金山天文臺工作期間推動的項目，常進院士是DAMPE首席科學家。衛星于2015年12月17日成功發射，至今已取得一系列物理成果。合作組由中國科學院紫金山天文臺、中國科學技術大學、高能物理研究所、近代物理研究所，以及瑞士日內瓦大學、意大利國家核物理研究所、佩魯賈大學、巴里大學, 薩蘭托大學、格蘭薩索科學研究所等單位組成。中國科學技術大學核探測與核電子學國家重點實驗室在載荷研制和在軌科學數據分析中都承擔著重要職責：安琪教授、劉樹彬教授帶領團隊研制了“悟空”號載荷的核心分系統BGO量能器，是目前世界上在軌運行的觀測能段范圍最寬、能量分辨率最優、粒子鑒別能力最強的量能器；黃光順教授擔任衛星工程科學應用系統副總師及“悟空”合作組執行委員會成員，張云龍教授擔任合作組執行委員會成員及宇宙線分析組組長，帶領科大團隊參與科學應用系統的建設及在軌科學數據分析工作。魏逸豐副教授現擔任宇宙線分析組的召集人，在合作組內共同組織了本次成果的研究工作。

(中國科學技術大學粒子科學與技術中心、核探測與核電子學國家重點實驗室、物理學院、科研部)