VictorHess在1912年就發(fā)現(xiàn)了宇宙線的存在，然而幾乎100年過去了，宇宙線的起源直到今天仍舊是一個謎。
宇宙線的能譜在很寬能量范圍內(nèi)符合指數(shù)大約為-3的冪律分布（dN/dE~ES），在約4PeV左右,宇宙線的能譜指數(shù)S從-2.7變?yōu)?3.1，看起來象一個人的膝，所以被稱為宇宙線能譜的“膝”。
自從Kulikov和Kristiansen1958年發(fā)現(xiàn)“膝”以來，它的成因已經(jīng)成為宇宙線研究領(lǐng)域的又一個經(jīng)典問題。對“膝”的解釋包括銀河系宇宙線源的加速能力在"膝"以上能量受到了限制，銀河系宇宙線在"膝"以上能量有更多的逃逸，或"膝"以上的宇宙線和介質(zhì)、光子、中微子相互作用更容易發(fā)生等等。然而這些模型預(yù)期宇宙線能譜在“膝”區(qū)能量以上流強下降太快，為了和測量宇宙線能譜數(shù)據(jù)符合，必須要求存在另一個額外的宇宙線成份，這就是被稱為所謂的“B成份”問題。
最近，對“膝”區(qū)能量附近宇宙線能譜的測量變得日益精確，甚至能測得“膝”區(qū)的精細結(jié)構(gòu)。特別是，羊八井宇宙線觀測站中日合作ASγ實驗的結(jié)果表明"膝"拐折得非?？?，其他的實驗也報道了類似的測量結(jié)果，諸如KASCADE、Aragats-GAMMA、Yakutsk和MAKET-ANI實驗等。除了“膝”區(qū)尖銳的結(jié)構(gòu)外，Erlykin和Wolfendale的分析顯示了在“膝”區(qū)附近宇宙線能譜上有幾個小的鼓包，這就是所謂的精細結(jié)構(gòu)。
受到ATIC、PAMELA、HESS和Fermi實驗觀測到正負電子反常超出的啟發(fā)，中科院高能所粒子天體物理重點實驗室羊八井組的研究人員提出了一個新的模型，試圖同時解決“膝”區(qū)的問題和正負電子超出的觀測結(jié)果。模型認為膝區(qū)的成因是由于加速源區(qū)光核相互作用產(chǎn)生正負電子對（pγ→pe+e-）：在某些宇宙線加速源里，背景光子密度非常大，高能宇宙線將不可避免地和背景光相互作用；對于能量大約為1eV的可見光，當(dāng)宇宙線的能量達到1PeV的時候，產(chǎn)生正負電子對的反應(yīng)發(fā)生了，這恰恰對應(yīng)著“膝”區(qū)能量；當(dāng)相互作用發(fā)生的時候，高能宇宙線粒子將損失自身的一部分能量，導(dǎo)致宇宙線能譜更快的下降，因此在對產(chǎn)生能量點前后宇宙線能譜出現(xiàn)了兩種不同的能譜指數(shù)，這種行為恰恰解釋了宇宙線能譜的“膝”。同時，產(chǎn)生的正負電子對也能解釋最近觀測到的正負電子的超出。
對相互作用過程的詳細模擬結(jié)果進一步顯示,閾能附近的堆積效應(yīng)能很好的解釋宇宙線能譜尖銳的“膝”。更加令人感興趣的是由于不同宇宙線成份的電子對產(chǎn)生有不同的閾能，在這個相互作用模型中“膝”區(qū)附近的精細結(jié)構(gòu)也能夠重新產(chǎn)生出來。最后，對于比閾能量更高的宇宙線粒子，電子對產(chǎn)生的相互作用變?nèi)?，可以自然解釋所謂的銀河系宇宙線“B成份”問題。
該模型可能解釋了長期困惑人們的宇宙線領(lǐng)域兩個重要的物理問題：（1）宇宙線的加速源，對宇宙線加速源的特性做出了較強的限制，使我們對源的理解更進了一步。（2）宇宙線能譜的“膝”，包括“膝”區(qū)能譜尖銳的特性，“膝區(qū)”的精細結(jié)構(gòu)等。另外，此模型首次將“膝”和正負電子超出聯(lián)系起來，也令人很感興趣。
該研究工作已在美國《天體物理雜志通訊》（TheAstrophysicalJournalLetters）和《中國科學(xué)》上分別發(fā)表，被《中國科學(xué)》的新聞編輯選為新聞,在美國AAAS主辦的EurekAalert網(wǎng)站上作為科學(xué)新聞進行發(fā)布，而且還將在《科學(xué)通報》上作為研究動態(tài)加以介紹。
科學(xué)新聞及研究工作:
http://www.eurekalert.org/pub_releases/2010-06/sicp-tka060210.php
Wang B, Yuan Q, Fan C et al. A study on the sharp knee and fine structures of cosmic ray spectra. Sci China Physics, Mechanics & Astronomy, 2010, 53(5): 842-847;
http://www.springerlink.com/content/0u3k326174317727
Hu HongBo, Yuan Qiang, Wang Bo, et al. On the e+e- excesses and the knee of the Cosmic Ray Spectra–Hints of cosmic ray acceleration in young supernova remnants. Astrophys J, 2009, 700: L170–L173
http://iopscience.iop.org/1538-4357/700/2/L170/
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