量热电子望远镜捕获电荷符号相关的宇宙射线调制

宇宙射线粒子(例如电子和质子)在太空中的运动受到太阳磁场的影响，导致到达地球的银河宇宙射线 (GCR) 强度随太阳周期发生波动。在太阳活动低的时期，例如太阳活动极小期，与太阳活动高的时期相比，观测到更多的 GCR 到达地球。GCR 通量与太阳活动之间的这种负相关被称为“太阳调制”。

具体来说，地球上 GCR 的强度受日光层电流片 (HCS) 倾斜角的影响，日光层电流片是一个螺旋面，将源自太阳两极的反向磁场线的方向分开。随着 HCS 倾斜角的增加，地球上的宇宙射线强度降低。根据日光层 GCR 传输的漂移模型，如果磁场在北半球远离太阳，在南半球朝向太阳，则 GCR 中带负电的电子倾向于沿着 HCS 到达地球. 相比之下，带正电的质子从日光层极区到达地球，这表明 GCR 电子在穿过 HCS 到达地球时比质子更受太阳调制的影响。

虽然先前在太空气球和空间实验中对宇宙射线粒子的观察表明，在太阳周期期间带正电和带负电的 GCR 粒子通量存在差异，但尚不清楚粒子电荷是否在 GCR 强度与 GCR 强度之间的反相关中发挥任何作用HCS 的倾斜角。现在，在最近对国际空间站“基博”暴露设施 (EF) 上的量热电子望远镜 (CALET) 进行的六年 GCR 带电粒子观察中，研究人员发现这种反相关实际上是，电子比质子更突出。

该研究发表于 2023 年 5 月 25 日的《物理评论快报》第 21 期第 130 卷，由来自的三位研究人员共同领导，他们是早稻田科学与工程研究所 (RISE) 的副教授 Yosui Akaike大学、茨城大学国立技术研究所 (KOSEN) 的三宅翔子副教授和信州大学的宗方一树教授。它还包括来自 RISE 的名誉教授 Shoji Torii 的贡献。“使用 CALET，我们在六年多的时间里成功地观察到了 GCR 的电荷符号依赖太阳能调制，” Akaike 说。

研究人员分析了从 2015 年到 2021 年的六年期间分别在大约 196 小时和 197 小时内收集到的超过 77 万个电子和 126 万个质子，这恰逢第 24 个太阳活动周期结束和第 25 个太阳活动周期开始，当前的太阳周期。研究结果表明，在第 24 个太阳活动周期结束时，太阳处于低活动状态，其特征是太阳黑子数量和 HCS 倾斜角减少，电子和质子计数率均较低但逐渐增加。这一趋势随着第 25 个太阳周期的开始而持续，在 2019 年 12 月周期开始六个月后电子计数率达到峰值。

此后，随着太阳活动和 HCS 倾斜角的增加，电子和质子计数率逐渐下降。此外，结果表明，在此期间电子计数率的变化明显高于质子，这表明电子更容易受到太阳调制的影响，正如漂移模型所预测的那样。

“这是漂移效应的明显标志，主导了用单个探测器观察到的 GCR 的长期太阳能调制，” Akaike 强调说。

总的来说，分析 GCR 可以为宇宙的组成和宇宙射线中观察到的高能粒子的加速机制提供重要的线索。因此，CALET 所做的观测可以帮助更好地了解太空天气及其对月球和其他行星(如火星)上潜在生命可能性的影响。

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