研究快讯 | 宇宙线电子能谱和Klein-Nishina效应

原文已发表在CPL Express Letters栏目

Received 25 December 2020; 

online 6 February 2021

EXPRESS LETTER

Klein–Nishina Effect and the Cosmic Ray Electron Spectrum

Kun Fang (方堃), Xiao-Jun Bi (毕效军), Su-Jie Lin (林苏杰), and Qiang Yuan (袁强)

Chin. Phys. Lett. 2021, 38 (3): 039801

文章亮点

首次给出了电子在银河系中传播时能量损失的精确拟合公式，提出原初宇宙线电子能谱需要一个新的硬成分。

宇宙线电子能谱和Klein-Nishina效应

研究背景

丁肇中教授领导的阿尔法磁谱仪（AMS-02）实验是位于国际空间站上的一个大型的宇宙线实验，对宇宙线能谱进行了异常精确的测量。AMS-02高精度的测量发现宇宙线能谱并非是单纯的幂率能谱，而是存在很多微细的结构。这些结构的背后都有着有意义的物理起源。最近的AMS-02的实验观测发现宇宙线中电子能谱在50GeV附近偏离了幂率的形式而有变“硬”的趋势（既高能电子更多）。该能谱变硬也被Fermi-LAT、DAMPE等空间实验探测到。

内容简介

空间实验测量到的高能宇宙线电子是从银河系的宇宙线加速源（如超新星遗迹或者脉冲星风云）发射出来并传播到地球上的。在传播的过程中，高能电子会和银河系的背景光子散射并损失能量。电子和光子相互作用的散射截面很早由Klein-Nishina计算完成，这个截面当电子能量非常高的时候会被压低，这就是有名的Klein-Nishina（KN）效应。KN效应的后果是，电子能量越高，其能损相比由经典的汤姆逊散射截面预期的结果越小。

在AMS-02发表了宇宙线电子能谱的结果后，发表在Phys. ReV. Lett.的一篇文章提出可能是KN效应造成了宇宙线中电子能谱在50 GeV附近的变“硬”的行为。然而，本文研究发现这一结论是由于作者采用的计算电子能损的公式有很大误差造成的。本文作者重新计算了电子能损并给出了准确的能损公式的拟合形式。采用这种精确的能损形式，发现KN效应无法解释AMS-02发现的能谱变硬的行为。因而，这一能谱变硬的行为一定有其它的物理原因，最可能是邻近的宇宙线源贡献的最近加速的电子所造成的。

研究意义和重要性

本工作中给出的精确电子能损的参数化公式是研究电子在银河系中的传播的重要工具。

上图中的数据点即是AMS-02的测量数据。红色线是采用了不精确的KN公式通过半解析计算给出的结果，可以看到能谱硬化的效应。蓝色线是在同样情况下用我们的精确KN公式给出的结果，这种情况下没有能谱变硬的行为。绿色线是由更为复杂的数值工具GALPROP给出的结果。

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