德首次識別高能宇宙射線“踝”結(jié)構(gòu)

德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院（KIT）近日發(fā)布了高能宇宙線實驗KASCADE-Grande項目的數(shù)據(jù)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(xiàn)。此外，科學(xué)家還成功在“膝”之后識別了“踝”的結(jié)構(gòu)。

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(chǎn)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(xué)一個重要研究領(lǐng)域。以德國卡爾斯魯厄理工學(xué)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(zhì)子束流最高設(shè)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(fā)的“廣延大氣簇射”。試驗區(qū)域內(nèi)初始宇宙射線粒子引發(fā)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(jié)束，現(xiàn)在科學(xué)家們通過記錄數(shù)據(jù)的總體分析再次發(fā)現(xiàn)科學(xué)亮點。

KASCADE-Grande實驗的一個重要成果是證明了發(fā)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(xiàn)。膝的位置似乎隨原子核的電荷變化：實驗發(fā)現(xiàn)“鐵膝”比“質(zhì)子（氫原子核）膝”的能量高26倍。

從目前的KASCADE-Grande實驗數(shù)據(jù)可知，銀河系內(nèi)可以被產(chǎn)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(yīng)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(jié)果還表明，在能量譜中1017電子伏特以上有這樣一個平坦區(qū)，即所謂的“踝”。根據(jù)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(yīng)該見到輕的初始粒子，現(xiàn)在，KASCADE-Grande實驗的科學(xué)家成功在輕組分中識別了這樣一個“踝”結(jié)構(gòu)。