DOI: https://doi.org/10.1103/d838-49gt
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41965017
تاريخ النشر: 2026-02-06
المؤلف: Zhenyun Du وآخرون
الموضوع الرئيسي: الفيزياء الفلكية والظواهر الكونية
طرق
في هذا القسم، يصف المؤلفون المنهجية والبيانات التجريبية المستخدمة لاشتقاق طيف الطاقة للهليوم ($\Phi_{\text{He}}$) من طيف مكون الضوء ($\Phi_{\text{L}}$) وطيف البروتون ($\Phi_{\text{H}}$). تتكون مجموعة البيانات، التي جمعها LHAASO من أكتوبر 2021 إلى أبريل 2022، من حوالي 900 ساعة من التعرض الفعال. يتم ضمان جودة البيانات من خلال تصفية التسجيلات غير الموثوقة والحفاظ على شروط صارمة بشأن الضوء الخلفي والطقس، مما يتطلب بشكل خاص زاوية تلسكوب القمر أكبر من 20° وعدد ADC لخلفية السماء الليلية أقل من 200.
يتم حساب طيف الهليوم باستخدام الصيغة $\Phi_{\text{He}} = \Phi_{\text{L}} – \Phi_{\text{H}}$، مع تطبيق منهجية إعادة بناء الطاقة المتسقة على كل من البروتونات ونوى الهليوم، مما يؤدي إلى مقياس طاقة موحد مع اختلافات أقل من 2%. تحافظ طريقة اختيار القطع المزدوجة على نسبة البروتون إلى الهليوم، بينما يتم تقليل الشكوك من طيف البروتون من خلال طريقة نسبة H/He التكرارية. يتم التحقق من دقة طيف الهليوم مقابل البيانات المحاكاة، مما يظهر توافقًا جيدًا مع توقعات النماذج. يتم تقديم تدفق الهليوم المستمد وعدم اليقين المرتبط به، جنبًا إلى جنب مع ملاءمة البيانات باستخدام نموذج قانون القوة المكسور المزدوج (DBPL)، مما ينتج عنه مؤشرات طيفية محددة ونقاط انكسار الطاقة، مع دعم إحصائي كبير للتغيرات الطيفية الملحوظة عبر نماذج التفاعل الهدروني المختلفة.
مناقشة
تكشف قياسات LHAASO عن اعتماد طاقة معقد في تكوين الأشعة الكونية، مع تسليط الضوء بشكل خاص على سلوك طيفي الهليوم والبروتون. من الملحوظ أن طيف الهليوم يُلاحظ أنه أضعف من طيف البروتون عند الطاقات المنخفضة، مما يؤدي إلى زيادة نسبة H/He من حوالي 0.7 عند $E \sim 0.2$ PeV إلى حوالي 1.4 عند الطاقات الأعلى. تحدث هذه الانتقال عند $E \sim 0.7$ PeV، حيث تستعيد البروتونات الهيمنة، تليها عبور آخر عند $E \sim 5$ PeV، مما يشير إلى عودة الهليوم. تشير هذه النتائج إلى أن ركب البروتون يحدث عند طاقة أقل من ركب الهليوم، مما يتحدى النماذج النظرية الحالية لأصول الأشعة الكونية، التي تفترض عادة أشكال تعتمد على الصلابة مشابهة للبروتونات والهليوم من نفس المصادر.
تشير الدراسة أيضًا إلى أن الأشعة الكونية المجرة من المحتمل أن تنشأ من عدة مجموعات مصادر، كما يتضح من الأشكال الطيفية المميزة والتغيرات الملحوظة في نسبة H/He عبر نطاقات الصلابة المختلفة. يظهر المكون ذو الطاقة المنخفضة تعزيزًا أقوى في تدفق الهليوم مقارنة بالبروتونات، بينما يظهر المكون ذو الطاقة الأعلى زيادة أكثر أهمية في محتوى البروتون، مما يشير إلى خصائص مصدر مختلفة. تؤكد النتائج على ضرورة وجود نموذج فلكي مصقول يستوعب فئات مصادر متنوعة ومساهماتها المتفاوتة في تسريع الأشعة الكونية، خاصة مع امتداد القياسات المستقبلية إلى نطاقات طاقة أقل وأعلى وتضمين نوى أثقل.
DOI: https://doi.org/10.1103/d838-49gt
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41965017
Publication Date: 2026-02-06
Author(s): Zhenyun Du et al.
Primary Topic: Astrophysics and Cosmic Phenomena
Methods
In this section, the authors describe the methodology and experimental data used to derive the helium energy spectrum ($\Phi_{\text{He}}$) from the light component spectrum ($\Phi_{\text{L}}$) and the proton spectrum ($\Phi_{\text{H}}$). The dataset, collected by the LHAASO from October 2021 to April 2022, comprises approximately 900 hours of effective exposure. Data quality is ensured by filtering out unreliable recordings and maintaining strict conditions regarding background light and weather, specifically requiring a moon-telescope angle greater than 20° and a night sky background ADC count below 200.
The helium spectrum is calculated using the formula $\Phi_{\text{He}} = \Phi_{\text{L}} – \Phi_{\text{H}}$, with a consistent energy reconstruction methodology applied to both protons and helium nuclei, resulting in a uniform energy scale with discrepancies under 2%. A double-cut selection method preserves the proton-to-helium ratio, while uncertainties from the proton spectrum are minimized through an iterative H/He ratio method. The accuracy of the helium spectrum is validated against simulated data, showing good agreement with model predictions. The derived helium flux and its uncertainties are presented, alongside a fitting of the data using a double broken power law (DBPL) model, yielding specific spectral indices and energy break points, with significant statistical support for the observed spectral changes across different hadronic interaction models.
Discussion
The LHAASO measurements reveal a complex energy dependence in the cosmic ray composition, particularly highlighting the behavior of helium and proton spectra. Notably, the helium spectrum is observed to be softer than the proton spectrum at lower energies, resulting in an increasing H/He ratio from approximately 0.7 at $E \sim 0.2$ PeV to about 1.4 at higher energies. This transition occurs at $E \sim 0.7$ PeV, where protons regain dominance, followed by another crossing at $E \sim 5$ PeV, indicating a resurgence of helium. These findings suggest that the proton knee occurs at a lower energy than the helium knee, challenging existing theoretical models of cosmic ray origins, which typically assume similar rigidity-dependent shapes for protons and helium from the same sources.
The study further indicates that Galactic cosmic rays likely originate from multiple source populations, as evidenced by the distinct spectral shapes and the observed variations in the H/He ratio across different rigidity ranges. The lower energy component shows a stronger enhancement in helium flux compared to protons, while the higher energy component exhibits a more significant increase in proton content, suggesting different source characteristics. The results underscore the necessity for a refined astrophysical model that accommodates diverse source classes and their varying contributions to cosmic ray acceleration, particularly as future measurements extend to lower and higher energy ranges and include heavier nuclei.