近期，暗物质粒子探测卫星“悟空”号国际合作组利用卫星前八年观测数据，在国际上首次获得了TeV/n能区最精确的次级宇宙线硼核能谱，并发现了能谱新结构。相关研究成果于2025年5月13日以《Observation of a Spectral Hardening in Cosmic Ray Boron Spectrum with the DAMPE Space Mission》为题发表在《Physical Review Letters》（《物理评论快报》）。

宇宙线的起源和传播是物理和天文领域重要的前沿科学问题。在宇宙线中，硼原子核主要是碳核、氧核等原初核素在传播过程中和星际物质发生碰撞后产生的次级粒子，其能谱反映了宇宙线扩散传播过程的重要信息。近年来的直接观测实验（如AMS-02、CALET等）发现宇宙线硼核能谱在百GeV/n以上能区存在拐折的迹象，但因测量精度的限制无法对这一结构给出确切的探测结果，也不能有效地检验现有的宇宙线传播模型。

“悟空”号是我国发射的第一颗用于空间高能粒子观测的天文卫星，其核心科学目标除了通过对电子宇宙线和伽马射线的观测来间接探测暗物质粒子，还包括通过探测宇宙线核素粒子来研究宇宙线的加速和传播机制。与国际上其他类似探测设备相比，“悟空”号覆盖能段宽，能量测量准，粒子鉴别强，特别是具备优异的电荷分辨本领，可以对高能宇宙线核素粒子进行高精度鉴别。

基于卫星前八年观测数据，“悟空”号国际合作组获得了10 GeV/n到8 TeV/n能区次级宇宙线硼元素能谱的精确测量结果，如图1（左）所示。这是国际上首次实现对1 TeV/n以上能区硼能谱的精确测量，测量精度和能量上限显著超过以往空间探测实验。“悟空”号的探测结果首次以高置信度发现宇宙线硼核在约200 GeV/n处的能谱变硬结构，且谱指数变硬程度约为原初宇宙线质子、氦核的两倍，如图1（右）所示。这表明宇宙线能谱变硬结构可能源自宇宙线传播效应，由于次级宇宙线硼核相比原初粒子会多经历一次扩散传播，从而出现更加显著的能谱变硬结构。这一观测结果对研究宇宙线的传播过程具有重要意义，为修正宇宙线传播模型提供了最新的观测依据。

图 1  “悟空”号对次级宇宙线硼核能谱的测量结果（左）和硼核能谱指数变化与其他成分的对比（右）。图取自DAMPE collaboration (2025, Phys. Rev. Lett., 134, 191001)

“悟空”号相继在多种宇宙线粒子的能谱测量方面取得了重要进展，发现了系列能谱新结构，为解答宇宙线的起源、加速和传播问题做出了重要的贡献。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院和江苏省等多个项目的资助。

论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.134.191001