德首次识别高能宇宙射线“踝”结构

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宇宙射线

德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）近日发布了高能宇宙线实验KASCADE-Grande项目的数据分析成果：所谓宇宙线的“膝”，即能量谱中的一个拐折，对于轻和重的初始粒子以不同的能量出现。此外，科学家还成功在“膝”之后识别了“踝”的结构。
宇宙线是来自外太空的带电高能次原子粒子，它是各种天体演化过程的产物，携带着这些过程的丰富信息。对宇宙线的研究已成为天体物理学一个重要研究领域。以德国卡尔斯鲁厄理工学院为主的国际项目KASCADE-Grande就是世界著名的高能宇宙线实验之一。
从2003年开始运行的KASCADE-Grande实验包含探测面积达700×700平米的塑料闪烁体阵列，将原初粒子的测量能量延伸到10的18次方电子伏特。相比较而言，目前地球上最大的粒子加速器——欧洲大型强子对撞机（LHC）的质子束流最高设计能量仅为7TeV（万亿电子伏特）。
通过37个检测站，KASCADE-Grande实验测量了近10年中高能量初始宇宙线粒子所引发的“广延大气簇射”。试验区域内初始宇宙射线粒子引发的能量从10的14次方至10的18次方电子伏特的次级粒子簇射都可以被测量。该实验已于2012年结束，现在科学家们通过记录数据的总体分析再次发现科学亮点。
KASCADE-Grande实验的一个重要成果是证明了发生拐折的高能宇宙线的能量谱，也被称为“膝”，对于轻和重的初级粒子以不同的能量出现。膝的位置似乎随原子核的电荷变化：实验发现“铁膝”比“质子（氢原子核）膝”的能量高26倍。
从目前的KASCADE-Grande实验数据可知，银河系内可以被产生和存储的宇宙线粒子能量大约只到10的17次方电子伏特。拥有更高能量的宇宙线粒子应源于银河系之外。从银河系到河外星系的宇宙线的过渡能量范围略高于10的18次方电子伏特。
实验结果还表明，在能量谱中10的17次方电子伏特以上有这样一个平坦区，即所谓的“踝”。根据已有的理论，到主要是河外星系宇宙线的过渡首先在能量谱中应该见到轻的初始粒子，现在，KASCADE-Grande实验的科学家成功在轻组分中识别了这样一个“踝”结构。相关研究成果已经发表在《物理评论D》上。