AMS探测器发现由氘核组成的宇宙射线惊人盈余

氘核(由一个质子和一个中子组成的原子核)被认为以与氦-3 核相同的方式形成，即在星际介质中的原始氦-4 核与其他核之间的碰撞中形成。如果事实确实如此，氘核与氦-4 的通量比应该与氦-3 与氦-4 的通量比相似。但这并不是国际空间站上的阿尔法磁谱仪(AMS) 所看到的。

宇宙射线是能量范围从MeV到10 20 eV的高能粒子。

它们的性质是通过测量能量(刚度)谱来研究的，能量谱是单位时间内粒子的数量、立体角、表面和能量，是能量的函数。它们的特点是光谱随着能量的增加而迅速下降。

人们认为能量低于 PeV 的宇宙射线起源于我们的银河系。

这些银河宇宙线的元素组成以氢原子核为主，主要是质子。氦原子核约占10%，电子和比氦重的原子核各仅占1%。

在恒星中合成的物质，例如质子、电子和大多数原子核，被称为初级宇宙射线。

通过恒星核心的核聚变合成的轻原子核比重原子核更丰富，因为随着质量的增加，重原子核的产生在能量上变得不那么有利。

比铁重的原子核(如镍)的合成是通过爆炸现象进行的，例如大质量恒星生命末期发生的超新星爆炸。这使得铁以外的原子核非常罕见。

原始核一旦从外太空的源头发射出来，就可能会与星际介质相撞，并分裂成较轻的碎片。

这是通过恒星核合成生成能量不利的锂、铍、硼、氟、钪、钛和钒等原子核的主要生成机制。它们被称为次级宇宙射线。

与类似质量的初级核相比，次级核的数量较少，并且随着刚度的增加，其刚度谱下降的速度比初级核的谱下降得更快。

宇宙射线光谱的能量(或刚度)依赖性是由宇宙射线穿过星系时其源的发射、加速和传播机制的结合造成的。

宇宙射线通过膨胀激波扩散而加速，并在星际介质中扩散传播，在银河系磁场的不规则处散射。这两种机制都取决于粒子的动量或磁刚度。

宇宙射线的传播是用刚度相关的扩散系数来描述的，它嵌入了银河系磁场湍流的特性。

AMS合作小组的成员在论文中写道：“氢核是最丰富的宇宙射线种类。”

“它们由两种稳定的同位素组成，即质子和氘。”

“大爆炸核合成预测氘的产量非常小，随着时间的推移，氘的丰度会从其原始值开始下降，在星际介质中测得的氘与质子的比率为 0.00002。”

“人们认为，氘核并非像原始宇宙射线质子和氦-4那样在超新星遗迹中加速，而是绝大多数源自氦与星际介质的相互作用。”

“氘核与氦-3一起被称为次级宇宙射线。”

在他们的最新研究中，AMS 物理学家调查了 AMS 在 2011 年 5 月至 2021 年 4 月期间探测到的 2100 万个宇宙氘的数据。

通过研究氘通量如何随刚性而变化，他们发现了令人惊讶的特征。

AMS 数据显示，这些比率在刚度超过 4.5 GV 时明显不同，氘与氦-4 比率随刚度下降的幅度小于氦-3 与氦-4 比率。

此外，再次出乎意料的是，数据显示，在 13 GV 以上的刚度下，氘通量几乎与质子(主要的宇宙射线)的通量相同。

简单来说，研究人员在原始氦-4核与星际介质碰撞中发现了比预期更多的氘核。

AMS合作项目发言人Samuel Ting博士表示：“由于宇宙质子背景辐射巨大，测量氘核十分困难。”

“我们的意外结果继续表明我们对宇宙射线的了解是多么的少。”

“随着AMS即将进行的升级，其接受度将提高300%，AMS将能够以百分之一的准确度测量所有带电宇宙射线，并为建立精确的宇宙射线理论提供实验基础。”

该团队的论文发表在《物理评论快报》杂志上。