近日,高海拔宇宙線觀測站(LHAASO,拉索)在宇宙線“膝”區(qū)的單成分能譜高精度測量中取得新的突破。拉索團隊在測量宇宙線氦原子核的通量隨核的能量變化中,觀測到超出預(yù)期的變化特征,以及由此引起的宇宙線豐度演化新特征。相關(guān)成果已于2026年3月26日在線發(fā)表于《物理評論快報》(Phys. Rev. Lett.?136, 121001(2026)),并獲編輯推薦,入選“物理特色”。該成果由中國科學(xué)院高能物理研究所主導(dǎo),羅馬第一大學(xué)等機構(gòu)參與完成。
宇宙線是來自外太空的高能粒子,其能量跨越10^9eV至超過10^20eV的巨大范圍,但其通量隨能量則快速下降;在約3 PeV處,通量突然加速下降,使宇宙線的能譜形成酷似膝蓋的結(jié)構(gòu),因而被稱為“膝”,這一命名沿用至今近70年。2024年3月26日,LHAASO發(fā)布了所有種類宇宙線粒子總的通量和平均質(zhì)量隨能量變化最精確的測量結(jié)果(PRL 132, 131002 (2024)),顯示膝由氫、氦兩種原子核主導(dǎo)。隨后在2025年11月16日,拉索又發(fā)布了氫核(即質(zhì)子)能譜(Sci. Bull. 70 (2025) 4173–4180),由于達(dá)到可與太空探測器媲美的精度,發(fā)現(xiàn)能譜特征與總譜的膝狀結(jié)構(gòu)大相徑庭,存在由拍電子伏宇宙加速器(PeVatron)貢獻(xiàn)的特征性PeV高能組分。
本次發(fā)布的高精度氦核能譜結(jié)果顯示存在類似的高能組分,在約1 PeV處能譜偏離既有的下降規(guī)律,呈現(xiàn)隆起的新組分,并在7 PeV附近觀測到預(yù)期的突然加速下降,與氫核譜的測量結(jié)果一起,證實了“膝”區(qū)能段由氫、氦主導(dǎo)的重要結(jié)論,共同的能譜復(fù)雜結(jié)構(gòu)揭示了銀河系內(nèi)多類加速源共存的特征。
此外,拉索的高精度測量還展現(xiàn)出有趣的宇宙線相對豐度交替變化的演化特征。在低能區(qū),宇宙線氫核的豐度高達(dá)90%,隨著能量呈明顯的下降趨勢,氦核豐度在約0.02 PeV處反超質(zhì)子,以此類推,理論界一度預(yù)期在PeV能段就應(yīng)由氦核主導(dǎo)。然而,拉索發(fā)現(xiàn)質(zhì)子豐度在約0.7 PeV處再次反超氦核,并持續(xù)保持主導(dǎo)地位直至約5 PeV,此后氦核才重新成為豐度最高的原子核。宇宙線相對豐度隨能量交替變化,反映了銀河系內(nèi)存在復(fù)雜的多種起源天體,對不同的原子核做出了差異性的貢獻(xiàn),更具體的機制還有待于更加深入的研究,尤其需要多波段、多信使的綜合性研究。
拉索首次對“膝”區(qū)質(zhì)子與氦核能譜開展了高精度測量,發(fā)現(xiàn)了新的PeV高能組分,與拉索在銀河系內(nèi)已探測到的PeVatron(如微類星體、年輕大質(zhì)量星團等)存在潛在的關(guān)聯(lián),為揭示銀河系高能宇宙線的起源與加速機制提供了關(guān)鍵性的新線索。

圖1: 覆蓋GeV–PeV寬能段的氫核與氦核能譜已實現(xiàn)高精度測量:低能段由國際空間站阿爾法磁譜儀(AMS)完成,中能段由“悟空號”衛(wèi)星(DAMPE)完成,高能段由高海拔宇宙線觀測站(LHAASO,拉索)完成。
論文鏈接:https://doi.org/10.1103/d838-49gt