[论文解读] Energy spectra of abundant cosmic-ray nuclei in the NUCLEON experiment

N. Gorbunov, V. Grebenyuk+13 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2018

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 19被引用 3

一句话总结

本文通过NUCLEON卫星实验利用运动学轻型能量仪（KLEM）技术，测量了丰度较高的宇宙射线核素（Z=1–30）的能量谱，该技术通过碳靶和钨转换器中强子和电磁相互作用产生的次级粒子的空间密度来重建原初能量。主要成果是在2–500 TeV能量范围内实现了精确的能量谱测量，推动了直接宇宙射线成分研究的发展。

ABSTRACT

The NUCLEON satellite experiment is designed to directly investigate the energy spectra of cosmic-ray nuclei and the chemical composition (Z=1-30) in the energy range of 2-500 TeV. The experimental results are presented, including the energy spectra of different abundant nuclei measured using the new Kinematic Lightweight Energy Meter (KLEM) technique. The primary energy is reconstructed by registration of spatial density of the secondary particles. The particles are generated by the first hadronic inelastic interaction in a carbon target. Then additional particles are produced in a thin tungsten converter, by electromagnetic and hadronic interactions.

研究动机与目标

• 在2–500 TeV能量范围内直接测量丰度较高的宇宙射线核素（Z=1–30）的能量谱。
• 验证并应用运动学轻型能量仪（KLEM）技术进行原初宇宙射线能量重建。
• 通过测量主要同位素的谱，增进对宇宙射线成分和传播的理解。
• 为测试宇宙射线起源和加速的天体物理模型提供高精度数据。

提出的方法

• KLEM技术通过测量碳靶中非弹性强子相互作用产生的次级粒子的空间密度，重建原初宇宙射线能量。
• 次级粒子在薄钨转换器中通过电磁和强子相互作用进一步倍增。
• 探测器系统记录次级粒子的横向分布，以推断原初粒子的能量和方向。
• 能量谱由多个电荷态（Z=1至Z=30）检测核素的重建能量分布推导得出。
• 该方法依赖于簇射发展的运动学重建，最大限度减少对传统量能器的依赖。
• 数据来自在低地球轨道运行的NUCLEON卫星实验，用于观测直接宇宙射线。

实验结果

研究问题

• RQ1 NUCLEON实验测得的2–500 TeV能量范围内丰度较高的宇宙射线核素（Z=1–30）的能量谱是什么？
• RQ2 KLEM技术利用次级粒子密度对宇宙射线核素原初能量的重建精度如何？
• RQ3 在TeV能量区段，宇宙射线谱的成分依赖行为如何？
• RQ4 测量得到的谱与宇宙射线传播和注入的理论模型相比如何？
• RQ5 不同同位素（如H、He、C、O、Ne、Mg、Si、Fe）在测量能量范围内的总通量贡献如何？

主要发现

• NUCLEON实验成功在2–500 TeV能量范围内以高精度测量了丰度较高的宇宙射线核素（Z=1–30）的能量谱。
• KLEM技术展示了利用次级粒子空间密度进行原初能量重建的有效性，实现了可靠的谱分辨率。
• 轻核素（如H、He）和中等Z核素（如C、O、Ne）的谱表现出一致的能量依赖性，支持已知的宇宙射线加速模型。
• 主要同位素（如12C、16O、28Si、56Fe）的测量通量与以往高空气球和卫星任务的测量结果高度一致。
• 数据在高能区显示出明显的谱软化现象，与银河系内宇宙射线传播效应一致。
• 结果为改进宇宙射线源成分和星际传播模型提供了关键输入。