研究小组揭示宇宙射线硫的性质和其他初级宇宙射线的组成

原创 哈尔鲍曼9000 科学剃刀

AMS测量了所有宇宙射线核的电荷Z，直到Ni。资料来源：AMS 协作。

带电宇宙射线是在太空中移动的高能粒子团，由物理学家维克多·赫斯于1912年首次描述。自发现以来，它们一直是许多天体物理学研究的主题，旨在利用卫星数据或其他实验方法更好地了解它们的起源、加速度和在空间中的传播。

阿尔法磁谱仪（AMS）合作是一个大型研究小组，分析太空中大型磁谱仪收集的数据，最近收集了有关特定类型宇宙射线的性质和组成的新见解。在发表在《物理评论快报》（PRL）上的一篇新论文中，他们特别揭示了初级宇宙射线碳，氖和镁的组成，以及宇宙射线硫的组成和性质。

“研究宇宙射线的开创性实验通常具有30%至50%的误差，并且主要是在动能低于每个核子50千兆电子伏特的情况下，”AMS协作发言人Samuel Ting告诉 Phys.org。“这些大的误差测量提供了与许多理论模型一致的重要信息。国际空间站上的阿尔法磁谱仪实验提供了基本粒子（电子，正电子，质子和反质子）和元素周期表所有元素的百分比精度测量，动能高达每个核子超过1，000千兆电子伏特。

AMS探测器最近收集的一些测量结果很难用现有的理论物理模型来解释。例如，通过测量射线中所有带电粒子的刚度（即动量/电荷），AMS探测器收集了数据，揭示了两种不同带电宇宙射线的性质，研究人员称之为初级和次级射线。

“初级宇宙射线（例如，He，C，O，Ne，Mg，Si，S，Fe等）原子核在恒星中合成，并在超新星等天体物理来源加速，次级宇宙射线（例如Li，Be，B，F等）原子核是在初级宇宙射线与星际介质的相互作用中产生的，“Ting解释说。“我们最近在PRL上介绍的工作受到我们在前两份出版物中发现宇宙射线独特性质的启发。

在之前的一篇论文中，AMS协作表明，含有Ne，Mg和Si的初级宇宙射线通量在86.5 Giga伏特以上具有相同的刚度依赖性，这与包含He，C，O和Fe粒子的初级宇宙射线的刚性依赖性显着不同。这表明初级宇宙射线可以分为至少两个子类，研究小组称之为Ne-Mg-Si和He-C-O-Fe。

图说明了AMS在直接测量七个宇宙射线元素源的丰度比的结果。资料来源：AMS 协作。

“到目前为止，人们对硫宇宙射线的特性知之甚少，”Ting说。“专注于宇宙硫特性的精确研究，例如我们的新工作，可以为主要宇宙射线提供新的见解，帮助我们揭示有多少类初级宇宙射线存在。

在之前的另一项工作中，Ting和他的合作者发现了证据表明N，Na和Al宇宙射线是主要和次要宇宙射线的组合。然后，他们精确测量了这些宇宙射线在宽刚度范围内（即从几千兆伏到太拉伏特）的通量，并分析了它们的光谱特性，以确定它们独特的初级和次级成分。

“例如，源头的Na / Si和Al/Si丰度比分别直接测量为0.036±0.003和0.103±0.004，”Ting说。“这些测量独立于宇宙射线模型。在我们目前的出版物中，我们扩展了这种方法来测量C，Ne，Mg和S的主要和次要成分，传统上被认为是初级宇宙射线。出乎意料的是，我们发现这些元素都有相当大的二次贡献，来自较重的宇宙射线与星际介质的碰撞。

AMS依赖于高精度的磁谱仪，通常用于在地球上进行实验，例如使用加速器帮助搜索基本粒子。它由六个检测元件组成，独立收集有关基本粒子和原子核的电荷、质量、动量和能量的数据。

AMS是目前唯一位于太空中的磁谱仪，地球上的研究人员密切并持续监测其六个元素中每个元素的功能，以确保其可靠运行。在2011年被送往太空，特别是国际空间站之前，光谱仪使用不同的CERN粒子加速器进行了仔细校准。

“为了确保结果的准确性和可靠性，原始数据由两到四个国际研究小组独立分析，”丁说。“通过分析AMS数据的前10年，即大约2000亿条宇宙射线，我们观察到，在90千兆伏特以上，宇宙射线中硫通量的刚度依赖性与Ne-Mg-Si通量的刚性依赖性相同，这与He-C-O-Fe通量的刚性依赖性不同。这表明S出乎意料地属于主要宇宙射线的Ne-Mg-Si类。

国际空间站上的阿尔法磁谱仪（AMS）。资料来源：美国宇航局。

分析与通过六个不同探测器的2000亿条宇宙射线相关的数据是一项耗时而艰巨的任务。最终，数据的准确性由位于意大利、瑞士、中国和美国的四个独立研究团队进行验证和交叉检查。

“我们还发现，传统的初级宇宙射线S，Ne，Mg和C都具有相当大的次要成分。硫，连同C，Ne和Mg宇宙核都可以表示为主要成分（在银河系中传播之前）和次要成分（传播期间和传播后）的总和，“Ting说，”宇宙射线源处S/Si的丰度比为0.167±0.006，Ne/Si为0.833±0.025，Mg/Si为0.994±0.029， 对于 C/O 为 0.836±0.025。这些直接测量独立于宇宙射线模型。

值得注意的是，AMS协作组织是第一个精确测量宇宙中S通量从几千兆伏特到太拉伏特的通量。他们的发现极大地有助于理解宇宙射线，它们的组成和特征。

AMS合作进行的分析最终表明，S，C，Ne和Mg宇宙射线通量的主要和次要贡献与N，Na和Al通量的主要和次要贡献明显不同。他们的发现，没有一个是现有的宇宙射线模型预测的，可以共同帮助更好地了解恒星中的核合成以及宇宙射线的起源和传播。

“AMS现在将继续对宇宙元素进行精确研究，”Ting补充道。“我们目前正在升级我们的探测器，将其接受度提高300%。到2030年，我们将探索剩余的重宇宙射线元素的特性，以白色标记。因此，到2030年，我们将提供有关宇宙射线起源和传播的准确和全面的信息。这将揭开宇宙射线的奥秘，例如它们在哪里以及如何产生，或者它们如何到达我们。在接下来的工作中，我们计划通过精确测量电子、正电子、反质子和反氘来研究暗物质的起源。到2030年，我们对正电子，反质子和反氘光谱的研究以及对正电子各向异性的研究将为当前意外的AMS结果提供解释。

在分析AMS数据时，Ting和他的合作者还观察到几种可能是可行的重反物质候选者的粒子，包括反氦。因此，他们还计划继续寻找更多这些颗粒，特别是抗碳和反氧。同时，他们正在分析日光层中所有宇宙射线在11年和22年太阳周期内的每日通量变化，这可能会产生其他有趣的发现。

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原标题：《『研究小组揭示宇宙射线硫的性质和其他初级宇宙射线的组成》

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