LHAASO发现超高能宇宙射线平均对数质量谱“肘”状结构

高海拔宇宙线观测站（LHAASO，“拉索”）高精度测量了0.3到30拍电子伏范围内的宇宙线能谱和平均对数质量，发现“膝”区宇宙线平均对数质量谱上存在“肘“状结构。该成果“Measurements of All-Particle Energy Spectrum and Mean Logarithmic Mass of Cosmic Rays from 0.3 to 30 PeV with LHAASO-KM2A”于2024年3月26日以编辑推荐（Editors’Suggestion）亮点文章(Featured in Physics)的形式在《Physical Review Letters》（《物理评论快报》）上在线发表。该工作由中国科学院高能物理研究所牵头的拉索国际合作组完成，论文通讯作者为中国科学院高能物理研究所张恒英博士、何会海研究员以及山东大学冯存峰教授。  

研究人员利用LHAASO-KM2A阵列2021年9月到2022年12月的实验数据，以前所未有的精度测量了“膝”区宇宙线能谱和平均对数质量，研究结果表明“膝”源于宇宙线的轻成分即质子和氦的截断。更为重要的是，首次在平均对数质量上发现了一个类似“肘”关节的结构。“膝”的成因之谜已经困扰了科学家近70年，这些发现为解开这一谜团提供了新的线索，被审稿人称为“领域重要的里程碑”。 

研究人员充分利用LHAASO实验的高海拔及大面积缪子探测器所带来的巨大优势，对“膝”区宇宙线在其簇射极大处实现了“量能器”式能量测量，显著降低了地面间接实验中能量测量对宇宙射线成分和相互作用模型的依赖，这种独特的能量重建方法在保证上述发现的准确性和可靠性方面发挥了至关重要的作用。 

拉索是国家重大科技基础设施，位于四川省稻城县海拔4410米的海子山，是由5216个电磁粒子探测器和1188个缪子探测器组成的一平方公里地面簇射粒子探测器阵列、7.8万平方米水切伦科夫探测器阵列以及由18台广角切伦科夫望远镜组成的复合阵列。拉索于2021年7月建成并开始高质量稳定运行，是国际上领先的高灵敏度、强大巡天能力和宽能谱的探测装置。 

论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.131002 
Physics评论文章：https://physics.aps.org/articles/v17/s39

 
图1：宇宙线全粒子能谱的"膝"，红色点为LHAASO实验高精度测量结果。

 
图2：LHAASO实验高精度测得的宇宙线平均对数质量。