«Укун» обнаружил космические лучи с элементами «сверхжелеза», впервые получен высокоточный спектр ядер никеля в космических лучах в области энергий ТэВ

Недавно научная группа проекта «Укун» (DAMPE) под руководством академика Чан Цзиня из Университета науки и технологий Китая добилась важного прогресса в области прямых наблюдений высокоэнергетических космических лучей. На основе данных орбитальных наблюдений DAMPE научная группа получила дифференциальный спектр потока ядер никеля в диапазоне 10 ГэВ/н – 2 ТэВ/н. Результат опубликован в международном академическом журнале Physical Review Letters под названием «Measurement of the Cosmic Ray Nickel Energy Spectrum from 10 GeV/n to 2 TeV/n with the DAMPE Space Mission».

Происхождение элементов сверхжелеза в космических лучах является давней проблемой, стоящей перед научным сообществом. Считается, что элементы космических лучей в основном рождаются в процессе термоядерного синтеза внутри звёзд, однако, поскольку ядра железа обладают наибольшей удельной энергией связи, термоядерные реакции в звёздах, как правило, с трудом продолжаются после образования элементов, близких к железу. Механизмы образования элементов тяжелее железа обычно приписываются различным процессам нуклеосинтеза, таким как захват нейтронов. Поскольку содержание элементов сверхжелеза обычно как минимум на порядок ниже содержания железа, результаты измерений элементов сверхжелеза в космических лучах в настоящее время крайне скудны. Большинство экспериментов дали лишь относительное содержание различных элементов; лишь в немногих экспериментах был измерен дифференциальный спектр потока никеля в космических лучах, верхний предел энергии составлял лишь несколько сотен ГэВ/н.

«Укун» — первый спутник, запущенный в рамках Стратегической пионерской программы космических наук Китайской академии наук, а также первый космический астрономический спутник Китая. Его научные цели включают косвенное обнаружение тёмной материи путём измерения электронов космических лучей, точное измерение энергетических спектров элементов космических лучей, а также проведение гамма-астрономических исследований. Спутник был успешно запущен в конце 2015 года и стабильно работает на орбите более 10 лет, передав на Землю в общей сложности около 20 миллиардов данных о высокоэнергетических частицах. По сравнению с аналогичными международными космическими детекторами высокоэнергетических частиц, «Укун» не только охватывает широкий энергетический диапазон, обладает точным измерением энергии и высокой способностью к идентификации частиц, но и имеет большую приёмную площадь, что создаёт благоприятные условия для измерения энергетических спектров низкообильных элементов, таких как элементы сверхжелеза, в космических лучах.

В рамках данного научного результата исследовательская группа на основе девятилетних данных впервые расширила измерение энергетического спектра никеля в космических лучах до высокоэнергетической области 2 ТэВ/н, что примерно на порядок величины выше. Результаты показывают, что форма спектра никеля демонстрирует явное сходство со спектром железа, а отношение содержания никеля к железу в этом энергетическом диапазоне приблизительно постоянно, что убедительно свидетельствует о том, что оба элемента могут иметь схожие механизмы происхождения, распространения и ускорения. Это открытие предоставляет новые доказательства для понимания путей синтеза элементов сверхжелеза в космических лучах и будет способствовать дальнейшему совершенствованию соответствующих теоретических моделей.

Данный результат был получен совместно нашим университетом, Институтом современной физики, Цзыцзиньшаньской астрономической обсерваторией Китайской академии наук, Институтом физики высоких энергий, а также Женевским университетом (Швейцария) и несколькими итальянскими исследовательскими институтами. Группа профессора Хуан Гуаншуня, профессора Чжан Юньлуна и доцента Вэй Ифэна с Физического факультета руководила данным анализом, а докторант Сунь Хаожань является основным исполнителем данной работы.

Рис. 1. Дифференциальный спектр потока ядер никеля в диапазоне 10 ГэВ/н – 2 ТэВ/н, наблюдаемый DAMPE.

Рис. 2. Отношение никеля к железу, наблюдаемое DAMPE, приблизительно постоянно.

Данное исследование получило значительную поддержку со стороны Национального фонда естественных наук Китая и Министерства науки и технологий.

Справочная информация:

Калориметр BGO — ключевая подсистема полезной нагрузки спутника «Укун» — был разработан бывшей Государственной ключевой лабораторией ядерной детекции и ядерной электроники нашего университета. С 2009 года эта лаборатория в качестве важного участника принимала участие в предварительном обосновании и предварительных исследованиях спутникового проекта, а также завершила разработку наземного прототипа.

После официального утверждения проекта спутника «Укун» в 2012 году команда преодолела ключевую техническую проблему «считывания сигналов с большим динамическим диапазоном кристаллов BGO» и успешно разработала калориметр BGO. В 2015 году была официально создана научная кооперация спутника для детектирования частиц тёмной материи, и преподаватели и студенты лаборатории взяли на себя важные исследовательские задачи в рамках научной кооперации, активно участвуя в орбитальных наблюдениях и анализе научных данных спутника «Укун».

Серия важных физических результатов, полученных впоследствии, также в полной мере подтверждает превосходные характеристики и надёжное качество калориметра BGO, разработанного этой командой.