« Wukong » détecte les éléments « super-fer » dans les rayons cosmiques et obtient pour la première fois le spectre d'énergie des noyaux de nickel dans la gamme du TeV avec une haute précision
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L'origine des éléments super-fer dans les rayons cosmiques est un problème qui trouble depuis longtemps la communauté scientifique. On considère généralement que les éléments des rayons cosmiques naissent principalement du processus de fusion nucléaire à l'intérieur des étoiles. Cependant, étant donné que le noyau de fer possède l'énergie de liaison par nucléon la plus élevée, les réactions de fusion dans les étoiles ont généralement du mal à se poursuivre au-delà des éléments proches du fer. Pour les éléments plus lourds que le fer, leur mécanisme de formation est généralement attribué à différents processus de nucléosynthèse tels que la capture de neutrons. Étant donné que l'abondance des éléments super-fer est généralement inférieure d'au moins un ordre de grandeur à celle du fer, les mesures des éléments super-fer dans les rayons cosmiques sont actuellement très rares. La plupart des expériences n'ont fourni que les abondances relatives des différents éléments ; rares sont celles qui ont mesuré le spectre de flux différentiel du nickel dans les rayons cosmiques, et la limite supérieure en énergie n'atteint que quelques centaines de GeV/n.
Le satellite « Wukong » est le premier satellite lancé dans le cadre du programme stratégique prioritaire des sciences spatiales de l'Académie des sciences de Chine, et également le premier satellite d'astronomie spatiale de notre pays. Ses objectifs scientifiques comprennent la détection indirecte de la matière noire par la mesure des électrons des rayons cosmiques, la mesure précise des spectres d'énergie des éléments des rayons cosmiques, ainsi que la recherche en astronomie gamma. Le satellite a été lancé avec succès fin 2015 et fonctionne de manière stable en orbite depuis plus de 10 ans, ayant transmis au total près de 20 milliards de données de particules de haute énergie. Par rapport aux équipements internationaux similaires de détection de particules de haute énergie dans l'espace, « Wukong » couvre non seulement une large gamme d'énergie, offre une mesure précise de l'énergie et une forte capacité d'identification des particules, mais possède également une plus grande acceptance, ce qui offre des conditions favorables pour mesurer les spectres d'énergie d'éléments à faible abondance tels que les éléments super-fer dans les rayons cosmiques.
Dans le cadre de ces résultats de recherche, l'équipe scientifique a, pour la première fois, étendu la mesure du spectre d'énergie du nickel dans les rayons cosmiques jusqu'à la gamme de haute énergie de 2 TeV/n sur la base de neuf années de données, soit une amélioration d'environ un ordre de grandeur. Les résultats montrent que la forme du spectre du nickel présente une similarité marquée avec celle du spectre du fer, et que le rapport d'abondance nickel/fer est approximativement constant dans cette gamme d'énergie, ce qui indique fortement que les deux éléments pourraient partager des mécanismes similaires d'origine, de propagation et d'accélération. Cette découverte fournit de nouvelles preuves pour la compréhension des voies de synthèse des éléments super-fer dans les rayons cosmiques et favorisera le perfectionnement des modèles théoriques associés.
Ce résultat a été réalisé conjointement par notre université, l'Institut de physique moderne, l'Observatoire de la Montagne Pourpre de l'Académie des sciences de Chine, l'Institut de physique des hautes énergies, ainsi que l'Université de Genève en Suisse et plusieurs institutions de recherche italiennes. L'équipe des professeurs Huang Guangshun, Zhang Yunlong et du professeur associé Wei Yifeng de la faculté de physique a dirigé ce travail d'analyse, et le doctorant Sun Haoran est le principal contributeur de cet article.
Figure 1. Spectre de flux différentiel des noyaux de nickel de 10 GeV/n à 2 TeV/n observé par DAMPE.
Figure 2. Le rapport nickel/fer observé par DAMPE est approximativement constant
Cette recherche a bénéficié du soutien important de la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine et du ministère des Sciences et Technologies.
Informations contextuelles :
Le calorimètre BGO, sous-système central de la charge utile du satellite « Wukong », a été développé par l'ancien Laboratoire national clé de détection nucléaire et d'électronique nucléaire de notre université. Depuis 2009, ce laboratoire a participé en tant que membre important aux travaux préliminaires d'évaluation et de recherche préparatoire du projet satellite, et a achevé le développement du prototype au sol.
Après l'approbation officielle du projet du satellite « Wukong » en 2012, l'équipe a surmonté la difficulté technique clé de la « lecture à grande dynamique des cristaux BGO » et a développé avec succès le calorimètre BGO. En 2015, la collaboration scientifique du satellite de détection de particules de matière noire a été officiellement établie. Les enseignants et étudiants du laboratoire ont assumé d'importantes tâches de recherche au sein de la collaboration scientifique, participant activement à la détection en orbite et à l'analyse des données scientifiques du satellite « Wukong ».
La production successive d'une série de résultats physiques importants confirme également pleinement les performances exceptionnelles et la fiabilité du calorimètre BGO développé par cette équipe.
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