Samarbetet med Dark Matter Particle Explorer (DAMPE) rapporterade den exakta mätningen av energispektrumet för heliumkärnor från kosmisk strålning från 70 GeV till 80 TeV energier den 18 maj, 2021.

För första gången, DAMPE avslöjar en mjukgörande struktur vid cirka 34 TeV-energier i heliumspektrumet med hög signifikans (~4,3σ). Tillsammans med den mjukgörande energin i DAMPE-protonspektrumet, resultaten överensstämmer med en laddningsberoende mjukningsenergi av protoner och heliumkärnor.

Den vanliga uppmjukningen är troligen ett avtryck av en närliggande kosmisk strålkälla, t.ex., en supernovarest. Den mjukgörande energin, som sannolikt är Z-beroende för protoner och heliumkärnor, motsvarar accelerationens övre gräns för en sådan närliggande källa.

DAMPE, även känd som "Wukong, " är en rymdsatellit dedikerad till observationer av kosmisk strålning och gammastrålning med hög energi. Förutom att undersöka naturen hos mörk materia partiklar, ett av de huvudsakliga vetenskapliga målen för DAMPE är att exakt mäta energispektra för kosmiska strålpartiklar.

DAMPE har en utmärkt energiupplösning (för elektroner och gammastrålar), en mycket god partikelidentifieringsförmåga, och en ganska stor acceptans, vilket gör den väl lämpad för studier av exakta spektrala strukturer av kosmiska strålar.

Kosmiska strålar (CR) är energiska partiklar som kommer från yttre rymden. De består mestadels av kärnor av olika grundämnen, tillsammans med små mängder elektroner/positioner, gammastrålningsfotoner, och neutriner.

Kosmiska strålar tros allmänt komma från extrema astrofysiska objekt, t.ex. supernovarest (SNR), ansamling av svart hål, etc. Därför CR är en unik sond för att utforska de astrofysiska lagarna under extrema miljöer. Ursprunget, acceleration, och spridning av CR är mycket intressanta och grundläggande frågor inom modern fysik och astrofysik, som förblir obesvarade efter en hundraårig observation och forskning.

Energispektrumet för CR, som representerar förhållandet mellan partikelflöde och energi, förväntas vara en maktlagsform enligt den kanoniska chockaccelerationen av partiklar. Exakt mätning av energispektrumet hos CRs är nyckeln till att förstå de grundläggande frågorna om kosmisk strålningsfysik.

Protoner och heliumkärnor, är de två mest förekommande komponenterna i kosmiska strålar, som står för mer än 99% av totala kosmiska strålar. Den utmärkta laddningsupplösningen gör att DAMPE har en kraftfull förmåga att identifiera proton och helium, och mäta deras spektra exakt. Fig. 1 visar den utmärkta laddningsmätningen av DAMPE vid två typiska energier.

Sedan lanseringen i slutet av 2015, DAMPE-detektorn har arbetat mycket stabilt i omloppsbana i fyra år. Betydande framsteg i observationer av kosmiska strålars elektroner/positioner, protoner, och heliumkärnor har uppnåtts. Med den kontinuerliga driften och datainsamlingen av DAMPE, det förväntas att fler och fler högkvalitativa data kommer att kasta nytt ljus över de grundläggande frågorna om kosmisk strålningsfysik.

Med de första 30 månaderna on-orbit data, DAMPE-samarbetet erhöll den exakta mätningen av energispektrumet för kosmiska strålprotoner från 40 GeV till 100 TeV energier. DAMPE-resultatet visar att protonspektrumet inte är kompatibelt med paradigmet för en unik kraftlag inom ett brett energiområde.

Framförallt, DAMPE upptäckte nyligen en spektral "mjukning" (droppbeteende) vid cirka 14 TeV-energier. Brytenergin förväntas vara accelerationsgränsen för en möjlig närliggande kosmisk strålkälla.

DAMPE-resultatet har avsevärt förbättrat mätnoggrannheten för heliumspektrum i energiområdet över TeV. Spektrumet för CR-helium visar en mycket liknande TeV-struktur med den för CR-proton, vilket antyder ett gemensamt ursprung för dem.