在廣袤的宇宙中，高能帶電粒子——宇宙線——持續(xù)轟擊著地球，它們攜帶著關(guān)于極端天體物理過程和宇宙基本組成的密碼。其中，電子和正電子（合稱電子+正電子）的通量測量，特別是進(jìn)入TeV（萬億電子伏特）能區(qū)后，成為了“尋寶”的關(guān)鍵。科學(xué)家們期待從中找到鄰近脈沖星、超新星遺跡等天體物理源留下的“指紋”，甚至可能發(fā)現(xiàn)神秘暗物質(zhì)粒子湮滅或衰變的蛛絲馬跡。然而，這條尋寶之路充滿挑戰(zhàn)。當(dāng)前在軌的空間實(shí)驗(yàn)，如CALET和DAMPE，雖然功勛卓著，但受限于探測器大小和重量，其幾何接收度（大致可理解為“有效探測面積和視場的乘積”）較小，導(dǎo)致能夠精確測量的電子+正電子能量最高只能達(dá)到7 TeV左右。這就好比用口徑有限的望遠(yuǎn)鏡觀測深空，許多微弱但關(guān)鍵的細(xì)節(jié)被“視而不見”。更棘手的是，在幾TeV能區(qū)，地面間接實(shí)驗(yàn)HESS的測量結(jié)果與在軌直接實(shí)驗(yàn)的結(jié)果存在不一致，真相撲朔迷離。與此同時(shí)，能量遠(yuǎn)超電子的宇宙線質(zhì)子流強(qiáng)是電子的數(shù)千倍，如何在浩如煙海的質(zhì)子本底中精確篩選出稀有的高能電子信號，是數(shù)據(jù)分析中必須攻克的難題。為了突破這些瓶頸，將宇宙線的直接探測推向新的高度，下一代空間實(shí)驗(yàn)——高能宇宙線探測設(shè)施（High Energy cosmic-Radiation Detection facility, HERD）應(yīng)運(yùn)而生，并將于2027年搭載于中國空間站（CSS）開啟探索之旅。HERD的核心是一個(gè)設(shè)計(jì)獨(dú)特的量能器，其性能直接決定了科學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)程度。那么，這個(gè)新型量能器到底能否擔(dān)當(dāng)重任，將電子通量的測量邊界推向10 TeV乃至更高，并有效地從質(zhì)子“海洋”中撈出電子“針”呢？這正是本文發(fā)表于《Astroparticle Physics》的研究所要回答的核心問題。

為了評估HERD量能器的性能，研究人員主要采用了基于Geant4的蒙特卡洛模擬技術(shù)。他們首先構(gòu)建了包含約7500塊LYSO閃爍晶體（邊長3 cm，約2.6倍輻射長度X₀）并以球體形式組裝而成的量能器詳細(xì)幾何模型，并模擬了其機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)（碳纖維）。隨后，模擬了各向同性的電子和質(zhì)子束流轟擊探測器。在模擬數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用了針對光電二極管（PD）讀出系統(tǒng)的數(shù)字化算法，該算法引入了通道增益、電子學(xué)噪聲、直接電離效應(yīng)等現(xiàn)實(shí)因素，將晶體中的沉積能量轉(zhuǎn)換為模擬的ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換）通道讀數(shù)，并進(jìn)行了零抑制和能量刻度，以模擬真實(shí)的飛行數(shù)據(jù)處理流程。此外，研究還開發(fā)并應(yīng)用了用于描述電磁簇射和強(qiáng)子簇射三維形狀的多種變量，并利用這些變量構(gòu)建了用于區(qū)分電子和質(zhì)子的預(yù)選條件以及兩種主要的鑒別算法。

研究人員通過Geant4模擬了HERD探測器的響應(yīng)，生成了各向同性的電子和質(zhì)子樣本，能量覆蓋100 GeV至20 TeV范圍。模擬中包含了探測器的完整幾何結(jié)構(gòu)以及基于實(shí)驗(yàn)室和束流測試的電子學(xué)響應(yīng)參數(shù)。

通過模擬不相互作用的“geantino”粒子，研究者估算了HERD量能器的幾何因子。在考慮了縱向簇射 containment（要求粒子徑跡在量能器活性材料中的長度不少于30倍輻射長度X₀）和地球遮擋（最大天頂角112°）等條件后，得到的有效幾何因子約為2.44 m²sr。這比當(dāng)前在軌的CALET和DAMPE實(shí)驗(yàn)的幾何因子（分別約為0.12 m²sr和0.3 m²sr）大了一個(gè)數(shù)量級，是HERD能夠探測更高能量、更稀有事件的關(guān)鍵優(yōu)勢。

能量重建通過對量能器中所有晶體記錄的能量（經(jīng)過零抑制和刻度后）進(jìn)行求和，并應(yīng)用一個(gè)基于徑跡在LYSO和碳纖維中長度比例的修正因子，以補(bǔ)償簇射能量在機(jī)械結(jié)構(gòu)中的損失。研究顯示，經(jīng)過修正后，重建能量與模擬初級能量之比的平均值接近1。在選定的幾何接受條件下（徑跡長度≥30 X₀），HERD量能器對電子的能量分辨率在100 GeV以上能區(qū)優(yōu)于2.1%，展現(xiàn)出優(yōu)異的性能。不過，在400 GeV至1 TeV能區(qū)，分辨率略有上升，這被歸因于讀出系統(tǒng)從小面積光電二極管（SPD）向大面積光電二極管（LPD）過渡時(shí)，電子學(xué)噪聲影響的變化。

這是本研究的重中之重。由于高能宇宙線中質(zhì)子的通量遠(yuǎn)超電子（在TeV能區(qū)可達(dá)數(shù)千倍），高效區(qū)分二者對精確測量電子通量至關(guān)重要。研究團(tuán)隊(duì)定義并計(jì)算了多個(gè)描述簇射縱向發(fā)展（如L10，即徑跡末端最后10%部分沉積的能量份額）、橫向發(fā)展（如Lat4Order，四階橫向矩）和整體形狀的變量。首先，他們應(yīng)用了一套預(yù)選條件，以極高的電子效率（>98%）剔除了大部分與電子簇射特征迥異的質(zhì)子本底（質(zhì)子剔除效率>97.5%）。隨后，他們比較了兩種鑒別方法：

綜合以上性能評估，研究者得以預(yù)測HERD實(shí)驗(yàn)對宇宙線電子+正電子通量的測量能力。基于模擬的電子和質(zhì)子事件，并依據(jù)當(dāng)前CALET實(shí)驗(yàn)測量的電子通量參數(shù)化模型對事件進(jìn)行加權(quán)，他們可以估算出在假設(shè)的觀測時(shí)間內(nèi)HERD能夠收集到的電子事件數(shù)，并考慮能量分辨率和本底污染的影響。模擬結(jié)果表明，憑借其巨大的幾何因子、優(yōu)異的能量分辨率和高效的電子-質(zhì)子區(qū)分能力，HERD量能器有能力將宇宙線電子+正電子通量的高精度直接測量擴(kuò)展到至少15 TeV，遠(yuǎn)超當(dāng)前實(shí)驗(yàn)的7 TeV極限。這將為在更高能區(qū)搜尋可能存在的本地高能電子源（如船帆座脈沖星風(fēng)云Vela X、天鵝座圈狀星云Cygnus Loop）產(chǎn)生的能譜結(jié)構(gòu)，以及探測可能源于暗物質(zhì)粒子湮滅/衰變的特征信號開辟新的窗口。此外，對更高能區(qū)通量形狀的精確測量，也有助于澄清當(dāng)前直接測量與間接測量（如HESS）在幾TeV能區(qū)的分歧。

本研究通過詳盡的蒙特卡洛模擬，系統(tǒng)評估了未來HERD實(shí)驗(yàn)核心探測器——新型球體量能器——用于測量高能宇宙線電子+正電子通量的性能。結(jié)論明確而有力：HERD量能器憑借其創(chuàng)新的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了約2.44 m²sr的大幾何因子，比現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)提升了一個(gè)量級，為探測更高能量的稀有宇宙線粒子奠定了基礎(chǔ)。其能量分辨率在100 GeV以上優(yōu)于2.1%，確保了能量測量的精度。最關(guān)鍵的是，通過開發(fā)基于簇射形狀變量的預(yù)選和先進(jìn)的BDT機(jī)器學(xué)習(xí)算法，研究團(tuán)隊(duì)證明即使在TeV以上的高能區(qū)，也能在保持高電子選擇效率（~75-85%）的同時(shí)，將質(zhì)子本底污染有效控制在9%以下。這些卓越的性能指標(biāo)共同預(yù)示著，HERD將能夠把宇宙線電子+正電子通量的直接測量能量上限從目前的約7 TeV顯著推進(jìn)至15 TeV及以上。這項(xiàng)突破不僅有望揭示高能宇宙線“膝”能區(qū)（10¹⁵–10¹⁶eV）的起源之謎，檢驗(yàn)宇宙線傳播模型，更重要的是，它為在數(shù)十TeV能區(qū)搜尋本地高能電子/正電子天體物理源（如脈沖星風(fēng)云、超新星遺跡）和暗物質(zhì)粒子湮滅或衰變的可能間接信號提供了前所未有的靈敏探測工具。HERD實(shí)驗(yàn)的成功實(shí)施，將極大推動(dòng)高能天體物理、宇宙線物理和暗物質(zhì)搜尋等多領(lǐng)域的前沿研究，帶領(lǐng)人類對極端宇宙的認(rèn)知邁入一個(gè)嶄新的能量疆域。