近日，中国科学技术大学常进院士领导的“悟空”号（DAMPE）科学团队在高能宇宙线直接观测方面取得重要进展。科学团队基于DAMPE在轨数据获得了10 GeV/n – 8 TeV/n硼核微分通量谱，首次发现了硼元素在182 GeV/n处能谱“硬化”的现象。该结果以“Observation of a Spectral Hardening in Cosmic Ray Boron Spectrum with the DAMPE Space Mission”为题发表在国际学术期刊《物理评论快报》上（Phys. Rev. Lett. 134, 191001 (2025)）。杂志审稿人称赞DAMPE实验在TeV能区“设立了新的精度标准（setting a new standard of precision）”。
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媒介。次级宇宙线硼核是碳核、氧核等初级宇宙线在银河系传播的过程中碎裂形成，因此被认为是研究宇宙线传播机制及其相互作用的独特探针。此次，“悟空”实验的结果比之前实验的观测能区拓宽了一倍以上，并以8倍标准差显著度首次观测到硼核能谱在182±24 GeV/n处发生“硬化”现象，谱指数变硬程度为 0.31±0.05（图1）。与此前DAMPE的其它结果相比，硼核的变硬程度约为初级宇宙线质子和氦核的两倍（图2），同时也与硼碳、硼氧比例的变硬程度自洽。宇宙线传播理论指出，如果初级宇宙线由扩散效应导致谱指数存在的变化，次级宇宙线谱则会出现2变化。因此DAMPE实验的结果可以用传播效应来解释。
这项成果由我校与紫金山天文台、格兰萨索科学研究所、日内瓦大学联合完成。物理学院黄光顺教授、张云龙教授、魏逸丰副教授团队在该分析工作中做出了重要贡献。科大团队是DAMPE国际合作组内的平行分析团队，在魏逸丰副教授具体指导下，博士生徐恩珩独立研究了硼元素的粒子鉴别、效率估计、本底估计等一系列关键问题，完成了对硼能谱的分析工作。
图1. DAMPE观测的10 GeV/n – 8 TeV/n硼核微分通量谱。
图2. DAMPE观测的硼核谱指数变硬程度与质子、氦核、硼碳比例、硼氧比例结果的对比。硼核的约为其他结果的两倍。
该研究得到了国家自然科学基金委、科技部的大力支持。
论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.191001
(中国科学技术大学粒子科学与技术中心、核探测与核电子学国家重点实验室、物理学院)
背景介绍：
“悟空”暗物质粒子探测卫星（英文缩写DAMPE）由常进院士在紫金山天文台工作期间推动的项目，常进院士是DAMPE首席科学家。卫星于2015年12月17日成功发射，至今已取得一系列物理成果。合作组由中国科学院紫金山天文台、中国科学技术大学、高能物理研究所、近代物理研究所，以及瑞士日内瓦大学、意大利国家核物理研究所、佩鲁贾大学、巴里大学, 萨兰托大学、格兰萨索科学研究所等单位组成。中国科学技术大学核探测与核电子学国家重点实验室在载荷研制和在轨科学数据分析中都承担着重要职责：安琪教授、刘树彬教授带领团队研制了“悟空”号载荷的核心分系统BGO量能器，是目前世界上在轨运行的观测能段范围最宽、能量分辨率最优、粒子鉴别能力最强的量能器；黄光顺教授担任卫星工程科学应用系统副总师及“悟空”合作组执行委员会成员，张云龙教授担任合作组执行委员会成员及宇宙线分析组组长，带领科大团队参与科学应用系统的建设及在轨科学数据分析工作。魏逸丰副教授现担任宇宙线分析组的召集人，在合作组内共同组织了本次成果的研究工作。