北京大學(xué) 徐仁新 編譯自 Carmelo Evoli. Physics，November 25，2024

本文選自《物理》2025年第3期

盡管宇宙線中的電子和正電子成分遠(yuǎn)低于質(zhì)子和其他原子核，但電子能譜(簡稱電子譜)卻是銀河系內(nèi)若干高能物理過程的重要探針。近期，高能立體望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)HESS(High Energy Stereoscopic System)的合作組在該領(lǐng)域取得了重大突破，將宇宙線電子譜的測(cè)量延伸至驚人的40 TeV(此前的測(cè)量低于5 TeV)。HESS團(tuán)隊(duì)收集了超過12年的數(shù)據(jù)，揭示了前所未有的能譜信息，特別是發(fā)現(xiàn)電子譜在1 TeV附近開始明顯變陡。這個(gè)特征挑戰(zhàn)了我們關(guān)于銀河系宇宙線起源的認(rèn)識(shí)。此外，測(cè)量發(fā)現(xiàn)在約1—40 TeV能區(qū)的電子由冪律譜主導(dǎo)，很好地約束了太陽系附近局部區(qū)域加速粒子的流量以及可能的電子產(chǎn)生機(jī)制(如銀河系內(nèi)暗物質(zhì)粒子的湮滅或衰變)。

高能宇宙線電子跟銀河系磁場(chǎng)和背景光子之間頻繁地相互作用，會(huì)迅速損失能量。因此，高能電子的傳播范圍較小，從而能夠通過測(cè)量電子譜來搜尋鄰近的宇宙線加速器，鑒別這些局部加速過程(很可能是脈沖星或超新星遺跡)將揭示宇宙線的起源。研究的另一動(dòng)機(jī)是探索某些特殊過程(如暗物質(zhì)湮滅)產(chǎn)生的電子對(duì)宇宙線電子譜的貢獻(xiàn)。在0.1 TeV以上的高能區(qū)，常規(guī)天體物理過程產(chǎn)生的電子流量顯著減少，特殊過程產(chǎn)生的高能電子將占主導(dǎo)。

對(duì)于像HESS這樣的間接測(cè)量而言，探測(cè)宇宙線電子的挑戰(zhàn)在于如何區(qū)分電子和流量大得多的質(zhì)子(或其他核)。利用位于納米比亞的切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣，HESS合作組積累了大量的高質(zhì)量數(shù)據(jù)，他們改進(jìn)了粒子甄別技術(shù)，將質(zhì)子的貢獻(xiàn)控制在萬分之一以下，從而獲得了高置信度的電子事件(也包括正電子)。分段冪律譜可很好地描述電子測(cè)量結(jié)果，如圖所示。

HESS測(cè)得的宇宙線電子譜，即電子流量隨能量的關(guān)系

其實(shí)，1 TeV附近譜指數(shù)的增加早已在CALET和DAMPE等空間實(shí)驗(yàn)中被發(fā)現(xiàn)。誠然，測(cè)量幾TeV的高能電子對(duì)于理解分段冪律譜的起源至關(guān)重要，但空間實(shí)驗(yàn)較難拓展至該能區(qū)。起初認(rèn)為1 TeV處譜變陡起源于電子穿越銀河系時(shí)的能量損失，然而最近AMS-02、CALET和DAMPE等空間實(shí)驗(yàn)給出的宇宙線核素中的硼碳比表明：宇宙線在該能區(qū)的存活時(shí)間與導(dǎo)致分段冪律譜的理論模型預(yù)期不一致。此外，HESS發(fā)現(xiàn)1TeV以上的電子譜比預(yù)期更陡，不像銀河系內(nèi)電子擴(kuò)散傳播所致。

另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，少量的臨近高能電子源可能造成能譜的分段。這類模型預(yù)期電子譜含有凹凸的特征，但這些行為并未在延伸至40 TeV的HESS測(cè)量結(jié)果中體現(xiàn)。DAMPE的數(shù)據(jù)曾暗示電子譜在1.4 TeV附近的有峰結(jié)構(gòu)，有些人推測(cè)它可能顯示了暗物質(zhì)的特征，但HESS并未發(fā)現(xiàn)這一結(jié)構(gòu)。無疑，HESS的測(cè)量結(jié)果必然會(huì)推動(dòng)對(duì)于宇宙線(特別是電子)加速機(jī)制的研究，澄清銀河系內(nèi)加速器如何將這些粒子從冷的星際介質(zhì)中加速至極端的相對(duì)論速度。

HESS的發(fā)現(xiàn)意義重大。首先，它約束了潛在的鄰近宇宙線電子源候選范圍。雖然暗物質(zhì)湮滅解釋的可能性較小，但更傳統(tǒng)的天體物理起源(如脈沖星和超新星遺跡)仍較合理。其次，該工作還將深化宇宙線傳播的研究——在如此高的能量下粒子傳播的機(jī)制。未來的研究可能會(huì)提升兩方面的探測(cè)能力：進(jìn)一步改善甄別粒子的能力(如利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù))，以及將空間直接測(cè)量的電子譜拓展至更高能量。(譯者注：中國下一代“高能宇宙輻射探測(cè)設(shè)施”(簡稱HERD)空間實(shí)驗(yàn)擬將探測(cè)電子的能區(qū)延伸至15 TeV)。總之，雖然HESS合作組取得了新的成果，但高能宇宙充滿未解之謎。

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