德首次識別高能宇宙射線“踝”結構

德國卡爾斯魯厄理工學院（KIT）近日發布了高能宇宙線實驗KASCADE-Grande項目的數據分析成果：所謂宇宙線的“膝”，即能量譜中的一個拐折，對于輕和重的初始粒子以不同的能量出現。此外，科學家還成功在“膝”之后識別了“踝”的結構。

宇宙線是來自外太空的帶電高能次原子粒子，它是各種天體演化過程的產物，攜帶著這些過程的豐富信息。對宇宙線的研究已成為天體物理學一個重要研究領域。以德國卡爾斯魯厄理工學院為主的國際項目KASCADE-Grande就是世界著名的高能宇宙線實驗之一。

從2003年開始運行的KASCADE-Grande實驗包含探測面積達700米×700米的塑料閃爍體陣列，將原初粒子的測量能量延伸到1018電子伏特。相比較而言，目前地球上最大的粒子加速器——歐洲大型強子對撞機（LHC）的質子束流最高設計能量僅為7TeV（萬億電子伏特）。

通過37個檢測站，KASCADE-Grande實驗測量了近10年中高能量初始宇宙線粒子所引發的“廣延大氣簇射”。試驗區域內初始宇宙射線粒子引發的能量從1014至1018方電子伏特的次級粒子簇射都可以被測量。該實驗已于2012年結束，現在科學家們通過記錄數據的總體分析再次發現科學亮點。

KASCADE-Grande實驗的一個重要成果是證明了發生拐折的高能宇宙線的能量譜，也被稱為“膝”，對于輕和重的初級粒子以不同的能量出現。膝的位置似乎隨原子核的電荷變化：實驗發現“鐵膝”比“質子（氫原子核）膝”的能量高26倍。

從目前的KASCADE-Grande實驗數據可知，銀河系內可以被產生和存儲的宇宙線粒子能量大約只到1017電子伏特。擁有更高能量的宇宙線粒子應源于銀河系之外。從銀河系到河外星系的宇宙線的過渡能量范圍略高于1018電子伏特。

實驗結果還表明，在能量譜中1017電子伏特以上有這樣一個平坦區，即所謂的“踝”。根據已有的理論，到主要是河外星系宇宙線的過渡首先在能量譜中應該見到輕的初始粒子，現在，KASCADE-Grande實驗的科學家成功在輕組分中識別了這樣一個“踝”結構。