悟空”号第二弹：“软硬”兼备的宇宙线质子

悟空”号暗物质粒子探测卫星是中国发射的首颗专门用于空间科学研究的卫星，其主要科学目标是寻找宇宙中的暗物质。首批成果于2017年11月发表后，《自然》杂志曾评论“‘悟空’号卫星开启了中国空间科学新时代”。那么除了寻找暗物质，“悟空”号在空间科学研究中还能有哪些贡献呢？本篇介绍“悟空”号对宇宙线质子的最新研究成果。

“悟空”号卫星的艺术加工图片 | 图源：暗物质卫星项目组

我们常说观察宇宙有四大手段：电磁波、宇宙线、中微子和引力波。随着激光干涉引力波天文台LIGO于2015年发现引力波，今天的人们已经可以通过这四种手段全方位地审视宇宙中发生的故事，天文学的研究真正意义上进入了“多信使”的时代。虽然电磁波仍然毫无悬念地给我们提供着最为丰富的宇宙信息，别的手段却往往能起到非常关键和独特的作用，也因此“一个都不能少”。“悟空”号三大科学目标中，第二个是宇宙线相关物理问题研究。

宇宙线的发现

宇宙线的发现要追溯到一百多年以前对空气电离率的研究。那时候微观世界的大门才刚刚打开，贝克勒尔发现了天然放射性，人们普遍认为是地壳中的放射性元素导致空气电离。以赫斯为代表的科学家开展了一系列关于空气电离率的实验研究逐渐改变了这种认识，特别是赫斯在1912年乘坐热气球飞到5000多米的高空，发现海拔越高空气电离越严重，5000米以上的高空电离率是海平面的数倍。这就表明导致空气电离的源应该是自上而下进入大气层，是来自“宇宙的辐射”，后来被称为宇宙线。赫斯也因此获得了1936年诺贝尔物理学奖。

左：赫斯乘坐热气球做实验；右：赫斯测得的空气电离率随海拔高度的变化 | 图源：网络

宇宙线基本性质

宇宙线中最主要的粒子是质子，约占87%，其次是氦原子核，约占12%，余下约1%是各种重原子核、少量电子、伽马光子以及微量反物质粒子（主要有正电子和反质子）。不同种类的粒子数量千差万别，这对观测宇宙线提出了挑战，需要仪器具有特殊的本领以准确区分不同的粒子。

“悟空”号所拥有的一项看家本领就是可以准确地区分各种宇宙线粒子。除了正反粒子不能区分以外，别的粒子我们均可以通过绝对电荷值测量以及不同粒子相互作用属性差异进行高分辨率鉴别。

宇宙线成分示意图 | 图源：作者

宇宙线的能谱（即不同能量的粒子数目）大体服从幂律谱分布，能量越高，粒子数目越少。不同能量的宇宙线粒子数目差异巨大，如图中所示，10¹⁵电子伏特（电子伏特为能量单位，记作eV，太阳发出的光子能量约为1 eV）能量处每平方米每年可以接收到1个粒子，而能量提高3个数量级到10¹⁸ eV处每平方公里每年才有1个粒子。宇宙线的这个特征同样对实验探测提出了特殊的要求。一般来说低能粒子（10¹⁴ eV以下）是通过空间实验（包括高空气球和空间卫星）直接探测，而高能粒子由于数目稀少空间实验已无法探测到有效的事例。不过高能宇宙线恰好有个效应，可以和空气原子核发生反应产生次级粒子，次级粒子进一步反应产生更多的粒子，如此过程反复进行，最后形成覆盖很宽范围的次级粒子“雨”，称作空气簇射。我们可以在地面通过大型探测器阵列记录这些次级粒子，从而间接探测到高能宇宙线粒子。

宇宙线能谱 | 图源：https://www.quantamagazine.org/

宇宙线的能谱也并非是单调乏味的幂律谱，而是呈现出各种各样的结构，例如上图所示的“膝（Knee）”和“踝（Ankle）”等，这是类比人的膝盖和脚踝而得的名称，反映了能谱斜率的变化行为。正是这些结构蕴含了丰富的关于宇宙线的加速、传播、相互作用等物理过程的信息。精确测量宇宙线的能谱结构是宇宙线实验研究的重点。

研究宇宙线有什么用？

宇宙线曾经对基本粒子物理学科起到了非常重要的作用，它们和物质的相互作用就类似于人造加速器以及对撞机，但宇宙线可以达到远远高于人造加速器的能量。人们从宇宙线中发现了一大批新粒子，有效地推动了人类对物质基本结构及其相互作用规律的认识。宇宙线还跟宇宙中极端天体现象紧密联系，反映了天体的形成和演化规律。宇宙线跟人类生活也具有关系，比如科学家将种子送到太空经过宇宙线辐照之后，种子发生基因突变，可以筛选出优良的品种；也有人利用宇宙线缪子（一种穿透力很强的粒子）对金字塔成像，进行考古研究等。

粒子发现简史，红线标注部分为宇宙线中发现的粒子| 图源：https://www.particleadventure.org/

“悟空”号的最新成果

“悟空”号寻找暗物质的研究聚焦于高能电子宇宙线能谱。为了得到纯净的高能电子样本，要想尽办法剔除来自质子的污染。然而恰恰是这些被剔除的质子中却又隐藏着丰富而神秘的宇宙信息。

北京时间2019年9月28日，“悟空”号国际合作组在《科学进展》（Science Advances）杂志发表了从40 GeV到100 TeV能段的宇宙线质子精确能谱测量结果（1 GeV=10⁹ eV，1 TeV=10¹² eV）。这是国际上首次利用空间实验实现对高达100 TeV的宇宙线质子能谱的精确测量。“悟空”号的测量结果确认了之前发现的质子能谱在数百GeV处的变“硬”行为，这里“硬”和“软”衡量的是其中高能量粒子占比的多和少。更为重要的是，“悟空”号首次发现质子能谱在约14 TeV出现明显的能谱变“软”结构。

“悟空”号探测的40 GeV-100 TeV能段宇宙线质子能谱（红点）| 图源：DAMPE collaboration (2019, Sci. Adv., 5, eaax3793)

“悟空”号的新结果对揭示高能宇宙线的起源以及加速机制具有十分重要的意义。我们对这个结果给出两种理论上的推测。14 TeV处能谱变软的结构很可能是地球附近个别宇宙线源留下的印记，拐折能量即对应于这个源的加速上限。基于该模型对数据的拟合如下图所示。也有另外一种可能性，即银河系中宇宙线源存在不同种类，它们给出具有差异的宇宙线能谱，其总和给出观测到的复杂能谱结构。

解释“悟空”号质子能谱的一个理论模型 | 图源：作者

无论是哪种图像，“悟空”号的结果无疑都促使我们进一步思考宇宙线物理的基本问题，即它们起源于何种天体？以及被加速的过程具有什么样的特性？等等。这些问题的最终解答，仍然需要更多的观测数据，甚至包括和地面实验（例如四川稻城在建的“高海拔宇宙线观测站”）观测的结合。

“悟空”号工作状态良好，正在持续积累数据，未来将陆续发表更多的观测成果，特别是对不同的核素宇宙线的能谱测量结果，必将为宇宙线学科发展做出突出的贡献。

原文链接：

https://advances.sciencemag.org/content/5/9/eaax3793

作者简介

袁强：中国科学院紫金山天文台研究员，暗物质粒子探测卫星科学团队成员。主要从事暗物质卫星的数据分析和科学研究。

撰文：袁强

编辑：王科超、高娜

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