歐洲核子研究中心(CERN)和來自世界各地其他研究所一大批研究人員組成的阿爾法磁譜儀(AMS)合作研究，現(xiàn)在提出了一系列對(duì)宇宙氦同位素3He和4He性質(zhì)的精確測(cè)量，這些測(cè)量數(shù)據(jù)是由位于國(guó)際空間站(ISS)的分光計(jì)阿爾法磁譜儀收集。

進(jìn)行這項(xiàng)研究的研究人員之一阿爾貝托·奧利瓦(Alberto Oliva)解釋說：氦是宇宙射線中含量最豐富的元素之一，它由兩種同位素組成，即氦-4和氦-3。氦-4或氦-3，是一種氦同位素，主要在大爆炸后的前三分鐘和恒星核合成中產(chǎn)生。

恒星核合成是由于恒星內(nèi)部核聚變反應(yīng)而產(chǎn)生的化學(xué)元素，天體物理加速器，如超新星爆炸沖擊波，將這種同位素加速到高能。另一方面，氦-3或氦-4通常是由加速的4He同位素與我們銀河系的物質(zhì)相互作用產(chǎn)生。確定3He和4He同位素能量依賴性之間的差異，能使研究人員能夠推導(dǎo)出源的一般性質(zhì)，以及宇宙射線在銀河系中的加速和傳播。氦原子核也可以相對(duì)于較重原子核旅行更長(zhǎng)的距離，因?yàn)楹ず烁。c周圍物質(zhì)的相互作用更少。

有了氦，就可以在更大星系中探索宇宙射線的性質(zhì)，這與傳統(tǒng)上用較重原子核（如硼和氧）所做的事情有關(guān)。測(cè)量阿爾法磁譜儀中的氦同位素需要使用硅跟蹤器，該跟蹤器通過測(cè)量阿爾法磁譜儀磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)來確定入射宇宙射線的動(dòng)量，并結(jié)合在低能量時(shí)測(cè)量飛行時(shí)間系統(tǒng)(TOF)的速度，或在高能時(shí)測(cè)量Ring Imaging Cherenkov計(jì)數(shù)器(RICH)。所有這些探測(cè)器還可以測(cè)量原子序數(shù)，并將氦從其他原子核中分離出來。飛行時(shí)間系統(tǒng)通過粒子通過相隔約一米的兩個(gè)閃爍平面所需時(shí)間來測(cè)量粒子的速度。

而RICH通過檢測(cè)由高能粒子以比該介質(zhì)中光速更快的速度穿過富散熱器所產(chǎn)生的光環(huán)來測(cè)量粒子速度，即通過切倫科夫效應(yīng)。通過獨(dú)立測(cè)量動(dòng)量和速度，AMS光譜儀可以準(zhǔn)確地分離3He和4He同位素，并測(cè)定它們的光譜。在研究中，Oliva和同事展示了AMS光譜儀收集的測(cè)量結(jié)果，這些測(cè)量結(jié)果突出了兩種氦同位素的特殊性質(zhì)。研究人員觀察到，3He和4He通量隨時(shí)間表現(xiàn)出幾乎相同的變化，并且這些變化相對(duì)幅度隨著剛度的增加而減小。AMS光譜儀收集了3He/4He通量比的剛性依賴關(guān)系的第一次測(cè)量。

這些測(cè)量表明該比率具有長(zhǎng)期的時(shí)間依賴性，但在4GV以上它變得與時(shí)間無關(guān)。研究進(jìn)行的測(cè)量將3He和4He知識(shí)擴(kuò)展到了更高能量（比以前的實(shí)驗(yàn)高兩倍），這是第一次能夠觀察到3He和4He的剛性比例遵循一個(gè)簡(jiǎn)單的冪律，這種觀察可以區(qū)分不同的宇宙線傳播模型。還能夠看到，太陽活動(dòng)能夠以不同的方式影響3He和4He光譜，這是以前從未見過的結(jié)果。測(cè)量結(jié)果為3He和4He同位素性質(zhì)提供了新的有趣見解，這可能對(duì)未來研究宇宙線產(chǎn)生和傳播的天體物理學(xué)研究具有重要意義。

值得注意的是，這些測(cè)量揭示了3He/4He通量比剛度的依賴關(guān)系可以用一個(gè)冪律來描述，這與高能下的B/O和B/C光譜指數(shù)一致。研究宇宙射線中的同位素(例如質(zhì)子、氘、鋰-6和鋰-7、鈹-7、鈹-9和鈹-10)，最大限度地利用Tracker、TOF和RICH的組合功率，將能夠揭示更多關(guān)于宇宙射線的產(chǎn)生和傳播，以及太陽調(diào)制的影響。也許我們會(huì)發(fā)現(xiàn)一些根本沒有預(yù)料到的東西，就像去到以前沒有其他測(cè)量方法的地方一樣。

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參考期刊《物理評(píng)論快報(bào)》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.181102

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