自2015年以来，位于国际空间站基博暴露设施(EF)上的量热电子望远镜(CALET)一直在执行测量宇宙射线粒子通量的任务。在一项新的研究中，一个国际研究小组报告了利用CALET收集的数据直接测量宇宙射线氦谱的结果。与之前认为存在的单幂律相反，对2015年至2022年收集的通量数据的分析表明，宇宙射线氦核的能量分布遵循双破幂律。

　　我们对宇宙及其神秘现象的大部分理解都是基于理论解释。为了加深对遥远天体和能量现象的理解，天文学家正在研究宇宙射线，它是由质子、电子、原子核和其他亚原子粒子组成的高能带电粒子。这些研究表明，宇宙射线包含了元素周期表中我们已知的所有元素，这表明这些元素起源于恒星和超新星等高能事件。此外，由于其带电性质，宇宙射线穿过空间的路径受到星际现象和物体磁场的影响。

　　因此，对宇宙射线的详细观测不仅可以揭示这些粒子的起源，还可以破译高能物体和现象(如超新星遗迹、脉冲星甚至暗物质)的存在。为了更好地观测高能辐射，日本、意大利和美国于2015年在国际空间站合作建立了量热电子望远镜(CALET)。

　　2018年，对50 GeV至10 TeV宇宙射线质子谱的观测显示，高能质子的粒子通量明显高于预期。这些结果偏离了传统的宇宙射线加速和传播模型，该模型假设了“单幂律分布”，其中粒子数量随着能量的增加而减少。

　　因此，在2022年发表的一项研究中，CALET团队，包括早稻田大学的研究人员，发现能量范围在50 GeV到60 TeV的宇宙射线质子遵循“双破幂定律”。该定律假设高能粒子的数量最初增加到10 TeV(称为光谱硬化)，然后随着能量的增加而减少(称为光谱软化)。

　　进一步扩展这些观察，研究小组现在发现了在从40 GeV到250 TeV的广泛能量范围内捕获的宇宙射线氦谱中类似的光谱硬化和软化趋势。

　　这项研究发表在2023年4月27日的《物理评论快报》上，由日本早稻田大学的Kazuyoshi Kobayashi副教授领导，CALET项目的首席研究员Shoji Torii名誉教授(也隶属于早稻田大学)和意大利锡耶纳大学的研究助理Paolo Brogi共同贡献。

　　“CALET已经成功地观测到了宇宙射线氦的能谱结构，特别是从1.3 TeV左右开始的光谱硬化，以及从30 TeV左右开始的软化趋势，”Kobayashi说。

　　这些观测是基于CALET在2015年至2022年期间在国际空间站(ISS)收集的数据。这些观测结果代表了迄今为止宇宙氦核粒子的最大能量范围，为粒子通量偏离单一幂律模型提供了额外的证据。研究人员注意到，与预期幂律分布的偏差距离平均值超过8个标准差，这表明这种偏差偶然发生的可能性非常低。

　　值得注意的是，在这些数据中观察到的初始光谱硬化表明，可能有独特的来源或机制负责加速和传播氦核到高能。这些光谱特征的发现也得到了暗物质粒子探测器最近的观测结果的支持，并质疑了我们目前对宇宙射线起源和本质的理解。

　　Torii说:“这些结果将大大有助于理解超新星遗迹中的宇宙射线加速和传播机制。”

　　这些发现无疑增强了我们对宇宙的理解。即使在我们准备载人登月和火星任务时，宇宙射线粒子的能量分布也可以进一步了解太空中的辐射环境及其对宇航员的影响。

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