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最丰富的元素之一:阿尔法磁谱仪终于揭示“宇宙氦”的性质!

2020-10-26 09:57          氦元素 同位素 阿尔法磁谱仪 同位素

欧洲核子研究中心(CERN)和来自世界各地其他研究所一大批研究人员组成的阿尔法磁谱仪(AMS)合作研究,现在提出了一系列对宇宙氦同位素3He和4He性质的精确测量,这些测量数据是由位于国际空间站(ISS)的分光计阿尔法磁谱仪收集。进行这项研究的研究人员之一阿尔贝托·奥利瓦(Alberto Oliva)解释说:氦是宇宙射线中含量最丰富的元素之一,它由两种同位素组成,即氦-4和氦-3。氦-4或氦-3,是一种氦同位素,主要在大爆炸后的前三分钟和恒星核合成中产生。

恒星核合成是由于恒星内部核聚变反应而产生的化学元素,天体物理加速器,如超新星爆炸冲击波,将这种同位素加速到高能。另一方面,氦-3或氦-4通常是由加速的4He同位素与我们银河系的物质相互作用产生。确定3He和4He同位素能量依赖性之间的差异,能使研究人员能够推导出源的一般性质,以及宇宙射线在银河系中的加速和传播。氦原子核也可以相对于较重原子核旅行更长的距离,因为氦核更小,与周围物质的相互作用更少。

有了氦,就可以在更大星系中探索宇宙射线的性质,这与传统上用较重原子核(如硼和氧)所做的事情有关。测量阿尔法磁谱仪中的氦同位素需要使用硅跟踪器,该跟踪器通过测量阿尔法磁谱仪磁场中偏转来确定入射宇宙射线的动量,并结合在低能量时测量飞行时间系统(TOF)的速度,或在高能时测量Ring Imaging Cherenkov计数器(RICH)。所有这些探测器还可以测量原子序数,并将氦从其他原子核中分离出来。

飞行时间系统通过粒子通过相隔约一米的两个闪烁平面所需时间来测量粒子的速度。而RICH通过检测由高能粒子以比该介质中光速更快的速度穿过富散热器所产生的光环来测量粒子速度,即通过切伦科夫效应。通过独立测量动量和速度,AMS光谱仪可以准确地分离3He和4He同位素,并测定它们的光谱。

在研究中,Oliva和同事展示了AMS光谱仪收集的测量结果,这些测量结果突出了两种氦同位素的特殊性质。研究人员观察到,3He和4He通量随时间表现出几乎相同的变化,并且这些变化相对幅度随着刚度的增加而减小。AMS光谱仪收集了3He/4He通量比的刚性依赖关系的第一次测量。这些测量表明该比率具有长期的时间依赖性,但在4GV以上它变得与时间无关。

研究进行的测量将3He和4He知识扩展到了更高能量(比以前的实验高两倍),这是第一次能够观察到3He和4He的刚性比例遵循一个简单的幂律,这种观察可以区分不同的宇宙线传播模型。还能够看到,太阳活动能够以不同的方式影响3He和4He光谱,这是以前从未见过的结果。测量结果为3He和4He同位素性质提供了新的有趣见解,这可能对未来研究宇宙线产生和传播的天体物理学研究具有重要意义。

值得注意的是,这些测量揭示了3He/4He通量比刚度的依赖关系可以用一个幂律来描述,这与高能下的B/O和B/C光谱指数一致。研究宇宙射线中的同位素(例如质子、氘、锂-6和锂-7、铍-7、铍-9和铍-10),最大限度地利用Tracker、TOF和RICH的组合功率,将能够揭示更多关于宇宙射线的产生和传播,以及太阳调制的影响。也许我们会发现一些根本没有预料到的东西,就像去到以前没有其他测量方法的地方一样。

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