百年探索终解宇宙射线背后的隐藏规律

宇宙线是自然界中能量最高的粒子，其能量远超地球上最先进加速器所能产生的粒子。科学家认为它们源于超新星爆发、黑洞喷流、脉冲星等宇宙中最剧烈的事件。2015年12月发射的中国暗物质粒子探测卫星（DAMPE，俗称“悟空”）旨在研究宇宙线本质，并探索其与暗物质的潜在联系。日内瓦大学核与粒子物理系（DPNC）团队深度参与了该任务。

研究人员分析DAMPE获取的高精度数据后发现：从最轻的质子到最重的铁原子核，各类原初宇宙线原子核的能量谱中，都存在一个共同特征——当粒子的‘刚度’（即动量除以电荷，反映其抵抗磁场偏转的能力）超过约15太电子伏特（15 TV）时，粒子数量开始显著、急剧下降，这一现象被称为“能谱变软”。

以往理论曾提出两种主流解释：一种认为宇宙线行为由‘每个核子的能量’决定；另一种则强调‘刚度’起主导作用。本次结果首次在多种原子核上同时观测到相同的刚度阈值，强有力地支持了‘刚度主导’模型，而以99.999%的置信度排除了‘核子能量主导’的替代理论。

日内瓦团队在突破中发挥了关键作用：他们开发了先进的人工智能算法，用于精确重建探测器记录的粒子事例；主导研制了DAMPE的核心载荷之一——硅-钨轨迹探测器（STK），该仪器能高精度追踪粒子径迹并测定其电荷；还参与了质子、氦核流量测量及碳核数据分析。

这项发现不仅深化了我们对宇宙线如何被加速、又如何穿越星际空间的理解，也为改进天体物理源中的粒子加速模型设定了更严格的约束条件。