暗物质卫星“悟空”获得高精度高能宇宙线硼核能谱

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在轨数据获得了10 GeV/n – 8 TeV/n硼核微分通量谱，首次发现了硼元素在182 GeV/n处能谱“硬化”的现象。该结果以“Observation of a Spectral Hardening in Cosmic Ray Boron Spectrum with the DAMPE Space Mission”为题发表在国际学术期刊《物理评论快报》上（Phys. Rev. Lett. 134, 191001 (2025)）。杂志审稿人称赞DAMPE实验在TeV能区“设立了新的精度标准（setting a new standard of precision）”。 高能宇宙线是研究天体粒子起源、加速机制，及银河系星际介质的重要媒介。次级宇宙线硼核是碳核、氧核等初级宇宙线在银河系传播的过程中碎裂形成，因此被认为是研究宇宙线传播机制及其相互作用的独特探针。此次，“悟空”实验的结果比之前实验的观测能区拓宽了一倍以上，并以8倍标准差显著度首次观测到硼核能谱在182±24 GeV/n处发生“硬化”现象，谱指数变硬程度为 0.31±0.05（图1）。与此前DAMPE的其它结果相比，硼核的变硬程度约为初级宇宙线质子和氦核的两倍（图2），同时也与硼碳、硼氧比例的变硬程度自洽。宇宙线传播理论指出，如果初级宇宙线由扩散效应导致谱指数存在的变化，次级宇宙线谱则会出现2变化。因此DAMPE实验的结果可以用传播效应来解释。 这项成果由我校与紫金山天文台、格兰萨索科学研究所、日内瓦大学联合完成。物理学院黄光顺教授、张云龙教授、魏逸丰副教授团队在该分析工作中做出了重要贡献。科大团队是DAMPE国际合作组内的平行分析团队，在魏逸丰副教授具体指导下，博士生徐恩珩独立研究了硼元素的粒子鉴别、效率估计、本底估计等一系列关键问题，完成了对硼能谱的分析工作。 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://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.191001 (中国科学技术大学粒子科学与技术中心、核探测与核电子学国家重点实验室、物理学院)

背景介绍：

"悟空"暗物质粒子探测卫星是我国首颗天文卫星，成功发射于2015年12月17日。其载荷核心分系统BGO量能器由我校核探测与核电子学国家重点实验室研制，为目前世界上在轨运行的观测能段范围最宽、能量分辨率最优、粒子鉴别能力最强的探测器。在卫星发射后，科大团队继续围绕BGO量能器在轨运行，开展量能器性能标定、能量重建及物理分析工作，为科研产出做出了重要的、实质性的贡献。截至目前，"悟空"号已在高水平杂志上发表多个物理成果。

(2025-05-23)

中科大DAMPE课题组