新模型或解释宇宙线能谱问题

VictorHess在1912年就发现了宇宙线的存在，然而几乎100年过去了，宇宙线的起源直到今天仍旧是一个谜。宇宙线的能谱在很宽能量范围内符合指数大约为-3的幂律分布（dN/dE~ES），在约4PeV左右，宇宙线的能谱指数S从-2.7变为-3.1，看起来象一个人的膝，所以被称为宇宙线能谱的“膝”。自从Kulikov和Kristiansen1958年发现“膝”以来，它的成因已经成为宇宙线研究领域的又一个经典问题。对“膝”的解释包括银河系宇宙线源的加速能力在"膝"以上能量受到了限制，银河系宇宙线在"膝"以上能量有更多的逃逸，或"膝"以上的宇宙线和介质、光子、中微子相互作用更容易发生等等。然而这些模型预期宇宙线能谱在“膝”区能量以上流强下降太快，为了和测量宇宙线能谱数据符合，必须要求存在另一个额外的宇宙线成份，这就是被称为所谓的“B成份”问题。最近，对“膝”区能量附近宇宙线能谱的测量变得日益精确，甚至能测得“膝”区的精细结构。特别是，羊八井宇宙线观测站中日合作ASγ实验的结果表明"膝"拐折得非常快，其他的实验也报道了类似的测量结果，诸如KASCADE、Aragats-GAMMA、Yakutsk和MAKET-ANI实验等。除了“膝”区尖锐的结构外，Erlykin和Wolfendale的分析显示了在“膝”区附近宇宙线能谱上有几个小的鼓包，这就是所谓的精细结构。受到ATIC、PAMELA、HESS和Fermi实验观测到正负电子反常超出的启发，中科院高能所粒子天体物理重点实验室羊八井组的研究人员提出了一个新的模型，试图同时解决“膝”区的问题和正负电子超出的观测结果。模型认为膝区的成因是由于加速源区光核相互作用产生正负电子对（pγ→pe+e-）：在某些宇宙线加速源里，背景光子密度非常大，高能宇宙线将不可避免地和背景光相互作用；对于能量大约为1eV的可见光，当宇宙线的能量达到1PeV的时候，产生正负电子对的反应发生了，这恰恰对应着“膝”区能量；当相互作用发生的时候，高能宇宙线粒子将损失自身的一部分能量，导致宇宙线能谱更快的下降，因此在对产生能量点前后宇宙线能谱出现了两种不同的能谱指数，这种行为恰恰解释了宇宙线能谱的“膝”。同时，产生的正负电子对也能解释最近观测到的正负电子的超出。对相互作用过程的详细模拟结果进一步显示，阈能附近的堆积效应能很好的解释宇宙线能谱尖锐的“膝”。更加令人感兴趣的是由于不同宇宙线成份的电子对产生有不同的阈能，在这个相互作用模型中“膝”区附近的精细结构也能够重新产生出来。最后，对于比阈能量更高的宇宙线粒子，电子对产生的相互作用变弱，可以自然解释所谓的银河系宇宙线“B成份”问题。该模型可能解释了长期困惑人们的宇宙线领域两个重要的物理问题：（1）宇宙线的加速源，对宇宙线加速源的特性做出了较强的限制，使我们对源的理解更进了一步。（2）宇宙线能谱的“膝”，包括“膝”区能谱尖锐的特性，“膝区”的精细结构等。另外，此模型首次将“膝”和正负电子超出联系起来，也令人很感兴趣。该研究工作已在美国《天体物理期刊快报》（Astrophysical Journal Letters）和《中国科学》上分别发表，被《中国科学》的新闻编辑选为新闻，在美国AAAS主办的EurekAalert网站上作为科学新闻进行发布，而且还将在《科学通报》上作为研究动态加以介绍。（来源：中国科学院高能物理研究所）