氦原子核研究推进了我们对宇宙射线起源和传播的理解

我们对宇宙及其神秘现象的大部分理解都是基于理论解释。为了加深对遥远物体和高能现象的理解，天文学家正在研究宇宙射线，宇宙射线是由质子、电子、原子核和其他亚原子粒子组成的高能带电粒子。

这些研究表明，宇宙射线包含元素周期表中已知的所有元素，这表明这些元素起源于恒星和高能事件，如超新星。此外，由于它们的带电性质，宇宙射线穿过空间的路径受到星际现象和物体磁场的影响。

因此，对宇宙射线的详细观测不仅可以揭示这些粒子的起源，还可以解码高能物体和现象的存在，如超新星遗迹、脉冲星甚至暗物质。为了更好地观测高能辐射，，和美国于2015年在国际空间站上合作建立了CALorimetric电子望远镜(CALET)。

2018年，对50 GeV至10 TeV的宇宙射线质子光谱的观测显示，质子在高能量下的粒子通量明显高于预期。这些结果偏离了传统的宇宙射线加速和传播模型，该模型假设“单一幂律分布”，其中粒子数量随着能量的增加而减少。

因此，在 2022 年发表的一项研究中，包括早稻田大学的研究人员在内的 CALET 团队发现宇宙射线质子的能量范围为 50 GeV 至 60 TeV 遵循“双破碎幂定律”。该定律假设高能粒子的数量最初增加直到10 TeV(称为光谱硬化)，然后随着能量的增加而减少(称为光谱软化)。

进一步扩展这些观察结果，该团队现在发现在从40 GeV到250 TeV的广泛能量范围内捕获的宇宙射线氦光谱中出现了类似的光谱硬化和软化趋势。

该研究发表在《物理评论快报》杂志上，由早稻田大学的Kazuyoshi Kobayashi副教授领导，以及CALET项目首席研究员名誉教授Shoji Torii的贡献，也隶属于早稻田大学，以及锡耶纳大学的研究助理Paolo Brogi。

“CALET已经成功地观察到宇宙射线氦的能谱结构，特别是从1.3 TeV左右开始的光谱硬化，以及从30 TeV左右开始的软化趋势，”小林说。

这些观测基于CALET在2015年至2022年期间在国际空间站(ISS)上收集的数据。这些观测代表了迄今为止宇宙氦核粒子的最大能量范围，为粒子通量与单幂律模型的偏差提供了额外的证据。研究人员注意到，与预期幂律分布的偏差与平均值相差八个标准差以上，表明这种偏差偶然发生的概率非常低。

值得注意的是，在该数据中观察到的初始光谱硬化表明，可能存在独特的来源或机制，负责加速和传播氦核到高能量。这些光谱特征的发现也得到了暗物质粒子探测器最近观测的支持，并质疑我们目前对宇宙射线起源和性质的理解。

“这些结果将大大有助于理解超新星遗迹中的宇宙射线加速和传播机制，”Torii说。

这些发现无疑增强了我们对宇宙的理解。即使在我们准备载人登月和火星任务时，宇宙射线粒子的能量分布也可以进一步了解太空中的辐射环境及其对宇航员的影响。

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