使用观察 葡萄-3 印度和日本的物理学家以前所未有的细节探索了宇宙射线能谱中人们知之甚少的区域。法希姆·瓦尔西 (Fahim Varsi) 印度理工学院坎普尔 和同事发现了一个以前未见过的特征,即光谱中的扭结。这些观察结果表明有必要重新思考宇宙射线的起源。
宇宙射线主要由质子和氦核组成,是不断轰击地球大气层的高能粒子。当宇宙射线与大气相互作用时,会产生次级粒子簇射,包括电子、光子和μ介子,这些粒子雨落在地球上。
1912 年,维克多·赫斯 (Victor Hess) 的观测首次发现了宇宙射线,并获得了诺贝尔奖。然而,即使在最初发现它们一个多世纪后,我们仍然有很多东西需要了解这些粒子的性质。虽然天文学家认为宇宙射线起源于许多不同的来源,包括恒星、超新星和活跃的星系核,但它们的起源尚不完全清楚,因为这些粒子在向地球传播很远的距离时会受到磁场的偏转。
需要精确的测量
“众所周知,宇宙射线是宇宙中能量最高的粒子,”团队成员说 普拉瓦塔·莫汉蒂 位于孟买的塔塔基础研究所。 “需要精确测量宇宙射线中元素能谱的形状,以增进我们对其起源、加速和传播的理解。”
一个特别明显的理解差距在于能量在 100 TeV-1 PeV 范围内的宇宙射线光谱中间。在这个窗口中,粒子的能量太高,无法被天基探测器直接捕获,但又不足以让大量簇射粒子到达地球上的探测器。
为了更详细地探索这个能量范围,Varsi 的团队检查了 GRAPES-3 实验的观察结果。这是位于印度南部的一个μ子天文台,由一系列闪烁探测器组成。该设施位于海拔 2200 米处,可以更轻松地在 μ 子与大气相互作用之前对其进行检测。
“GRAPES-3 包含一个大面积探测器,使我们能够通过宇宙射线簇射中的 μ 子成分来测量宇宙射线的元素组成,”Mohanty 解释道。 “GRAPES-3 的探测区域比天基探测器大数千倍,可确保测量中极高的统计精度。”
四年学习
研究人员评估了 8 年和 460 年 2014 天内观测到的约 2015 万次流星雨事件。由于分析和纠错技术的复杂性,分析花了四年时间才完成。该团队表示,其结果提供了中能量窗口的第一个详细视图。
“这项研究测量了 50 TeV 到 1.3 PeV 的宇宙射线中的质子光谱,有效地将天基和地面测量的观测结果联系起来,”莫汉蒂描述道。
Varsi 团队发现的最引人注目的特征之一是能谱在 166 TeV 左右出现扭结,在稍高的能量下检测到的宇宙质子比预期要多。此前,地面实验已在 3 PeV 左右检测到类似的扭结,这被认为是源自星系的宇宙射线的最大能量。
到目前为止,研究人员普遍认为观测区域的质子能谱可以用简单的幂律来描述。然而,该团队的发现似乎打破了这一假设。
莫汉蒂解释说:“这表明,一类来源(通常被认为是超新星遗迹)可能会有效地将宇宙射线加速到观察到的扭结,而另一类来源则在扭结之外成为主要来源。”
通过在这些结果的基础上,Varsi 的团队希望很快就会出现新的模型来解释这些影响。如果实现的话,它们将有助于加强我们对宇宙射线如何出现、加速和跨星系距离传播的理解。
该研究描述于 “物理评论快报”.
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