高能宇宙线是研究天体粒子起源、加速机制，及银河系星际介质的重要探针。氦核是宇宙线中丰度第二高的核素，具有重要的研究价值。对银河系宇宙线，理论模型显示在“膝”区（3 – 4 PeV）以下，能谱应该服从单一负幂律分布，但近些年，多个宇宙线观测实验发现了在数百GeV/n 处存在能谱变硬的现象，这预示着银河系宇宙线可能存在新的起源和加速机制。
近日，暗物质粒子探测卫星（“悟空”，DAMPE）科学团队在高能宇宙射线领域取得重要进展。该团队基于DAMPE在轨数据获得了70 GeV – 80 TeV氦核素微分通量谱（对应每核子能量为17.5 GeV/n – 20 TeV/n），首次直接观测到氦核素在~ 34 TeV位置的能谱软化现象。相关成果发表在《物理评论快报》上（Phys. Rev. Lett. 126, 201102 (2021)）。
本次DAMPE合作组基于4.5年的观测数据，发表了70 GeV – 80 TeV的宇宙线氦核能谱，其能量上限比丁肇中先生领导的阿尔法磁谱仪（AMS-02）实验高出10倍。该结果以24.6σ的置信程度确认了之前AMS02实验发现的氦核能谱于 ~ 1.2 TeV处的变硬的现象，并以4.3σ的置信程度观测到了~ 34 TeV处能谱变软的拐折迹象。DAMPE合作组在2019年已经发表了质子宇宙线能谱的测量结果，其中指出能量约14 TeV处能谱存在拐折结构（Science Advances 5.9: eaax3793 (2019)）。联合DAMPE质子与氦核的结果，两者能谱体现出非常类似的行为，表明宇宙线的谱指数变化可能存在与粒子携带电荷的相关性，但在目前的实验精度下尚无法完全排除谱指数与粒子的质量相关的可能性。这一新的拐折结构及其电荷依赖的特性预示着宇宙质子和氦可能都来自邻近地球的某个宇宙线加速源，拐折能量对应于该源的加速上限。该结果对人们理解高能宇宙线的起源以及加速机制有着重要的意义。
我校核探测与核电子学国家重点实验室黄光顺教授、张云龙教授带领的科研团队在该分析工作中作出了重要贡献。科大团队结合地面束流测试和在轨数据，系统的研究了BGO量能器对高能重离子的能量响应，首次发现了BGO晶体对相对论重离子存在荧光猝灭效应，并量化了一系列猝灭因子，为精确重建出氦核素能谱发挥重要作用。魏逸丰副研究员对该猝灭因子的研究做出了直接贡献。
以上工作得到了中科院、基金委、科技部的支持。
图1. “悟空”号观测的70 GeV - 80 TeV能段（对应图中横轴每核子能量17.5 GeV/n – 20 TeV/n）宇宙线氦核能谱（红点）。图取自DAMPE collaboration, Phys. Rev. Lett. 126, 201102 (2021)。