翻开元素周期表，每一种元素都在自然界中扮演着独特角色。例如，磷存在于DNA和ATP之中，钙是构成骨骼和岩石的重要成分，钾参与生命体内的电信号传递，氯常以盐的形式存在于海洋和人体中，氩则是空气中含量最高的惰性气体。这些元素并不是地球天然自带的，它们的起源要追溯到更遥远的宇宙深处。正如卡尔·萨根充满诗意的描述，我们身体中的元素都是万千星辰散落后组成的，所以我们每一个人都是星尘。几十亿年前，一代又一代恒星在银河系中诞生、演化、死亡，并通过恒星风、超新星爆发等过程把合成出的元素抛入星际空间。后来，这些星际物质汇聚成太阳系，形成地球，也成为生命和自然世界的基本材料。今天，其中极少一部分原子核还会被天体极端环境加速到接近光速，化身为宇宙线，从银河系深处飞向地球。它们就像来自元素故乡的高速信使，携带着关于银河系物质来源、天体加速过程和星际传播历史的重要信息。

近日，我院科研团队参与的阿尔法磁谱仪（AMS实验）取得宇宙线重原子核测量的重要进展。该研究利用安装在国际空间站上的AMS实验，对宇宙线中的磷、氯、氩、钾和钙原子核能谱进行了高精度测量，为理解银河系宇宙线的起源、加速和传播提供了新的关键线索。宇宙线中的重核丰度极低，过去几十年中，国际上已有一些实验尝试测量这些元素，但受探测器能力和统计量限制，测量误差较大，尤其在高能区缺乏精确数据。此次研究基于AMS实验自2011年起在国际空间站所积累的海量数据，从中筛选了约17万个磷核、14万个氯核、17万个钾核、21万个氩核和30万个钙核事件，并得到了磷、氯、钾从2.15 GV到1.2 TV刚度范围内，以及氩、钙从2.15 GV到3.0 TV刚度范围内的精确能谱。

在传统宇宙线物理中，通常把原子核分为初级和次级两类。初级宇宙线主要是在超新星遗迹等极端天体环境中产生并被加速；次级宇宙线则是较重的原子核在穿越星际介质时，与星际气体发生碰撞碎裂后的产物。通过比较不同元素的能谱形状，我们可以判断其初级和次级的相对成分组成。本次AMS结果显示，磷、氯、钾三种元素的刚度依赖关系与典型次级宇宙线氟非常相似。这说明它们主要具有次级宇宙线的特征，即相当一部分是在重核穿越星际空间时通过碰撞碎裂产生的。进一步分析表明，这些元素的流强并非完全由单一来源解释，而可以统一表示为两部分的叠加：一部分与初级宇宙线硅的流强成正比，代表源区成分；另一部分与次级宇宙线氟的流强成正比，代表传播中产生的次级成分。

更有意思的是，将磷、氯、钾与此前测量的硫，以及本次测量的氩、钙一起比较时，发现宇宙线重核呈现出清晰的规律。偶数电荷元素，如硫、氩、钙，通常具有更强的初级成分；而奇数电荷元素，如磷、氯、钾，其初级成分相对较弱，次级成分更加突出。这一现象为理解宇宙线源区的元素组成和核反应过程提供了新的观测依据。这项研究还给出了一个重要结果：AMS实验可以在不依赖具体银河系传播模型的情况下，直接确定这些元素在宇宙线源区相对于硅的丰度比例。例如，磷、氯、氩、钾、钙相对于硅的源区丰度分别约为0.0034、0.0097、0.022、0.0046和0.077。换言之，AMS不仅测量了这些重原子核到达地球附近时的样子，还帮助我们反推出其在宇宙线源头附近的原始组成比例。这一点非常关键，因为在宇宙线从源区传播到太阳系经历的漫长星际旅程中，它们会被银河系磁场散射，会与星际气体碰撞，也会发生能量变化。因此，地球附近测到的宇宙线并不等同于源区刚刚产生时的宇宙线。如何把起源信息和传播效应分离，一直是宇宙线物理中的核心难题。本次研究通过精确比较不同重核与硅、氟的关系，为解开这一难题提供了新的实验路径。

图：骆首栋同学在AMS合作组会议中对该分析结果的揭盲对比

相关成果以“Properties of Heavy Cosmic Nuclei Phosphorus, Chlorine, Argon, Potassium, and Calcium: Results from the Alpha Magnetic Spectrometer”为题发表于《Physical Review Letters》上。AMS实验是由丁肇中先生领导的大型国际合作项目，由来自16个国家和地区、60多个研究单位的科学家组成，每一道物理分析均由多个课题组独立完成并检验，保证最终物理结果的可靠性。浙江大学物理学院天文研究所博士生骆首栋和陈海研究员为该分析贡献独立测量，合作者包括麻省理工学院Vitali Choutko教授和中科院高能物理研究所严琪研究员等。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、国家留学基金委等项目的资助。

随着AMS更多数据的积累和分析方法的不断发展，团队将继续从这些高能宇宙信使中，解码关于银河宇宙线起源、演化和高能天体物理过程的更深层信息。团队目前有4位博士生常驻欧洲核子研究中心开展博士联合培养，分别专注于宇宙线同位素、正负电子、重原子核的研究，也欢迎感兴趣的本科生和研究生一起仰望星空，探索自然。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/d2vf-fw3v