VictorHess在1912年就發(fā)現(xiàn)了宇宙線的存在，然而幾乎100年過(guò)去了，宇宙線的起源直到今天仍舊是一個(gè)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(lái)象一個(gè)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(lái)，它的成因已經(jīng)成為宇宙線研究領(lǐng)域的又一個(gè)經(jīng)典問(wèn)題。對(duì)“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(qiáng)下降太快，為了和測(cè)量宇宙線能譜數(shù)據(jù)符合，必須要求存在另一個(gè)額外的宇宙線成份，這就是被稱為所謂的“B成份”問(wèn)題。
最近，對(duì)“膝”區(qū)能量附近宇宙線能譜的測(cè)量變得日益精確，甚至能測(cè)得“膝”區(qū)的精細(xì)結(jié)構(gòu)。特別是，羊八井宇宙線觀測(cè)站中日合作ASγ實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明"膝"拐折得非常快，其他的實(shí)驗(yàn)也報(bào)道了類似的測(cè)量結(jié)果，諸如KASCADE、Aragats-GAMMA、Yakutsk和MAKET-ANI實(shí)驗(yàn)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(gè)小的鼓包，這就是所謂的精細(xì)結(jié)構(gòu)。
受到ATIC、PAMELA、HESS和Fermi實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到正負(fù)電子反常超出的啟發(fā)，中科院高能所粒子天體物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室羊八井組的研究人員提出了一個(gè)新的模型，試圖同時(shí)解決“膝”區(qū)的問(wèn)題和正負(fù)電子超出的觀測(cè)結(jié)果。模型認(rèn)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(fù)電子對(duì)（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(duì)于能量大約為1eV的可見光，當(dāng)宇宙線的能量達(dá)到1PeV的時(shí)候，產(chǎn)生正負(fù)電子對(duì)的反應(yīng)發(fā)生了，這恰恰對(duì)應(yīng)著“膝”區(qū)能量；當(dāng)相互作用發(fā)生的時(shí)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(duì)產(chǎn)生能量點(diǎn)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(shí)，產(chǎn)生的正負(fù)電子對(duì)也能解釋最近觀測(cè)到的正負(fù)電子的超出。
對(duì)相互作用過(guò)程的詳細(xì)模擬結(jié)果進(jìn)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(duì)產(chǎn)生有不同的閾能，在這個(gè)相互作用模型中“膝”區(qū)附近的精細(xì)結(jié)構(gòu)也能夠重新產(chǎn)生出來(lái)。最后，對(duì)于比閾能量更高的宇宙線粒子，電子對(duì)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(wèn)題。
該模型可能解釋了長(zhǎng)期困惑人們的宇宙線領(lǐng)域兩個(gè)重要的物理問(wèn)題：（1）宇宙線的加速源，對(duì)宇宙線加速源的特性做出了較強(qiáng)的限制，使我們對(duì)源的理解更進(jìn)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(xì)結(jié)構(gòu)等。另外，此模型首次將“膝”和正負(fù)電子超出聯(lián)系起來(lái)，也令人很感興趣。
該研究工作已在美國(guó)《天體物理雜志通訊》（TheAstrophysicalJournalLetters）和《中國(guó)科學(xué)》上分別發(fā)表，被《中國(guó)科學(xué)》的新聞編輯選為新聞,在美國(guó)AAAS主辦的EurekAalert網(wǎng)站上作為科學(xué)新聞進(jìn)行發(fā)布，而且還將在《科學(xué)通報(bào)》上作為研究動(dòng)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/
附件下載：
