歐洲核子研究中心(CERN)和來自世界各地其他研究所一大批研究人員組成的阿爾法磁譜儀(AMS)合作研究，現在提出了一系列對宇宙氦同位素3He和4He性質的精確測量，這些測量數據是由位於國際空間站(ISS)的分光計阿爾法磁譜儀收集。進行這項研究的研究人員之一阿爾貝託·奧利瓦(Alberto Oliva)解釋說：氦是宇宙射線中含量最豐富的元素之一，它由兩種同位素組成，即氦-4和氦-3。氦-4或氦-3，是一種氦同位素，主要在大爆炸後的前三分鐘和恆星核合成中產生。
恆星核合成是由於恆星內部核聚變反應而產生的化學元素，天體物理加速器，如超新星爆炸衝擊波，將這種同位素加速到高能。另一方面，氦-3或氦-4通常是由加速的4He同位素與我們銀河系的物質相互作用產生。確定3He和4He同位素能量依賴性之間的差異，能使研究人員能夠推導出源的一般性質，以及宇宙射線在銀河系中的加速和傳播。氦原子核也可以相對於較重原子核旅行更長的距離，因為氦核更小，與周圍物質的相互作用更少。
有了氦，就可以在更大星系中探索宇宙射線的性質，這與傳統上用較重原子核（如硼和氧）所做的事情有關。測量阿爾法磁譜儀中的氦同位素需要使用硅跟蹤器，該跟蹤器通過測量阿爾法磁譜儀磁場中偏轉來確定入射宇宙射線的動量，並結合在低能量時測量飛行時間系統(TOF)的速度，或在高能時測量Ring Imaging Cherenkov計數器(RICH)。所有這些探測器還可以測量原子序數，並將氦從其他原子核中分離出來。飛行時間系統通過粒子通過相隔約一米的兩個閃爍平面所需時間來測量粒子的速度。
而RICH通過檢測由高能粒子以比該介質中光速更快的速度穿過富散熱器所產生的光環來測量粒子速度，即通過切倫科夫效應。通過獨立測量動量和速度，AMS光譜儀可以準確地分離3He和4He同位素，並測定它們的光譜。在研究中，Oliva和同事展示了AMS光譜儀收集的測量結果，這些測量結果突出了兩種氦同位素的特殊性質。研究人員觀察到，3He和4He通量隨時間表現出幾乎相同的變化，並且這些變化相對幅度隨著剛度的增加而減小。AMS光譜儀收集了3He/4He通量比的剛性依賴關係的第一次測量。
這些測量表明該比率具有長期的時間依賴性，但在4GV以上它變得與時間無關。研究進行的測量將3He和4He知識擴展到了更高能量（比以前的實驗高兩倍），這是第一次能夠觀察到3He和4He的剛性比例遵循一個簡單的冪律，這種觀察可以區分不同的宇宙線傳播模型。還能夠看到，太陽活動能夠以不同的方式影響3He和4He光譜，這是以前從未見過的結果。測量結果為3He和4He同位素性質提供了新的有趣見解，這可能對未來研究宇宙線產生和傳播的天體物理學研究具有重要意義。
值得注意的是，這些測量揭示了3He/4He通量比剛度的依賴關係可以用一個冪律來描述，這與高能下的B/O和B/C光譜指數一致。研究宇宙射線中的同位素(例如質子、氘、鋰-6和鋰-7、鈹-7、鈹-9和鈹-10)，最大限度地利用Tracker、TOF和RICH的組合功率，將能夠揭示更多關於宇宙射線的產生和傳播，以及太陽調製的影響。也許我們會發現一些根本沒有預料到的東西，就像去到以前沒有其他測量方法的地方一樣。
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參考期刊《物理評論快報》
DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.181102
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