科技日报记者 金凤
宇宙射线加速过程中，不同种类的粒子能达到的最大能量是否确实与其电荷成正比?这个重大科学问题如今有了实证依据。来自中国、瑞士、意大利的多家研究机构基于中国“悟空”号暗物质粒子探测卫星9年的观测数据研究发现，多种核素宇宙射线能谱在高能段存在统一的“鼓包”结构，宇宙射线加速能量极限与粒子电荷成正比。这是人类首次通过直接观测印证了物理学界1961年提出的“彼得斯循环”理论，为揭开宇宙射线起源之谜提供了重要线索。该成果4月29日刊发于国际学术期刊《自然》。
宇宙中存在着大量接近光速穿行的高能粒子流，即宇宙射线。“随着宇宙射线能量的升高，粒子的数目会急剧减少，探测也愈加困难。”中国科学院院士、“悟空”号首席科学家常进介绍，精确测量宇宙射线中各种核素粒子的能谱，是研究宇宙射线物理的关键。
“悟空”号卫星科学应用系统副总师范一中研究员介绍，1961年物理学家伯纳德·彼得斯提出，在受磁场约束的加速环境中，带电粒子所能达到的最大能量与其电荷成正比，超过这个能量，粒子数目会急剧下降。这个理论预言被称为“彼得斯循环”理论，但一直没有在观测中被验证。
作为我国首颗空间天文卫星，“悟空”号自2015年发射以来，已记录了约185亿个高能粒子事例。
范一中介绍，此次研究中，科研团队基于“悟空”号2016年1月1日至2024年12月31日的观测数据，精确测得了质子、氦、碳、氧和铁等5种丰度最高的宇宙射线粒子在超宽能段内的能谱，首次直接探测到它们在高能段存在共同且显著的“鼓包”状结构。研究结果显示，“鼓包”结构出现的位置和粒子的电荷成正比。
“宇宙射线能谱通常应呈现出持续甚至加速下降的趋势，但如果一个能段的下降趋势比前后能段平缓，那么在能谱上就表现出一个‘鼓包’形状。”范一中说。
团队推测，这可能是因为太阳系周围存在一个近邻的宇宙射线加速源，其辐射出来的高能粒子有一个能量上限。超过这个值后，高能粒子的数目急剧减少，表现为“鼓包”的快速下降。
“悟空”号团队成员、中国科学技术大学教授黄光顺认为，此次研究首次得到了“彼得斯循环”理论的直接观测证据，对理解高能宇宙射线的加速机制有重要价值。
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