基于暗物质粒子探测卫星的宇宙线直接探测研究

高能宇宙线的起源、加速和传播是重大的前沿科学问题,回答该问题需要对宇宙线的能谱、各向异性以及各类高能天体电磁辐射进行精确观测.通过空间粒子探测器对宇宙线各成分能谱的直接测量是研究宇宙线物理问题的重要手段.中国于2015年底发射并持续运行至今的暗物质粒子探测卫星以其大接受度、高能量分辨率等特点,在宇宙线直接探测方面取得了系列重要成果,揭示出质子、氦核、硼碳和硼氧比例等宇宙线能谱的新结构,为理解宇宙线起源等科学问题提供了新的依据.介绍了暗物质粒子探测卫星的仪器设置、运行状况、科学成果及其物理意义.     

高能中微子和极高能宇宙线起源天体的理论研究

极高能宇宙线一般指来自地外的能量高于1018电子伏特(eV)的高能质子与原子核,其起源的研究一直是高能天体物理和粒子天体物理领域的热点问题.近年随着一些大型探测器(如Pierre Auger天文台)的运行,极高能宇宙线的研究取得很大进展.然而由于极高能宇宙线事例相对较少及其在从源到地球传播过程中的复杂性(如与宇宙微波背景辐射以及磁场的作用),需要通过观测这些宇宙线在强子反应中产生的次级粒子(如中微子)来获得其起源的额外信息.最近,位于南极的IceCube中微子天文台探测到了54个能量分布在60TeV{3PeV内的中微子事例,开启了高能中微子天文学的新时代.在本文中,我们研究了高能中微子、极高能宇宙线的天体物理起源以及它们之间可能的联系.     

宇宙线直接探测进展概述

宇宙线从发现起至今已超过百年。在20世纪上半叶,大型粒子加速器技术成熟以前,对宇宙线的研究引领着基本粒子物理的发展,从宇宙线研究中取得的多项成果斩获诺贝尔奖。21世纪,宇宙线因其与极端高能的物理规律和暗物质等新物理现象联系密切而绽放出新的活力,宇宙线起源、加速、传播等相关的天文学及物理学问题也备受关注。简述了近年来在空间直接观测宇宙线实验方面取得的进展,以及其对理解宇宙线物理问题的推动。最后概述了中国在相关领域的研究历程和现状。     

星际空间中宇宙线重新加速的研究

本文从能量空间中具有加速的宇宙线传播方程出发,给出了泄漏箱模型图象中高能原初谱及次级与原初核之比的数学表达式,我们的结果表明星际空间中宇宙线的重新加速可能是存在的,没有必要考虑次级和原初的不同空间分布的概念。     

宇宙线的超新星遗迹起源

宇宙线的起源是高能天体物理的核心问题之一.一直以来,超新星爆发被认为是能谱膝区以下宇宙线的主要来源.多波段观测表明,超新星遗迹有能力加速带电粒子至亚PeV (10~(15)eV)能量.扩散激波加速被认为是最有效的天体高能粒子加速机制之一,而超新星遗迹的大尺度激波正好为这一机制提供平台.近年来,一系列较高精度的地面和空间实验极大地推动了对宇宙线以及超新星遗迹的研究.新的观测事实挑战着传统的扩散激波加速模型以及其在银河系宇宙线超新星遗迹起源学说上的应用,深化了人们对宇宙高能现象的认识.结合超新星遗迹辐射能谱的时间演化特性,构建的时间依赖的超新星遗迹粒子加速模型,不仅能够解释200 GV附近宇宙线的能谱反常,还自然地形成能谱膝区,甚至可以将超新星遗迹粒子加速对宇宙线能谱的贡献延伸至踝区.该模型预期超新星遗迹中粒子的输运行为表现为湍流扩散,这需要未来的观测以及与粒子输运相关的等离子体数值模拟工作来进一步验证.     

高海拔宇宙线观测站LHAASO概况

宇宙线发现百年以来,宇宙线起源仍然是一个谜.研究宇宙线起源主要在甚高能(VHE)伽马射线天文学和宇宙线物理学两个领域交叉展开.新一代高海拔宇宙线观测站(LHAASO)拥有高海拔、全天候和大规模优势,利用多种探测手段对宇宙线开展联合观测,大幅提升对伽马射线和宇宙线的鉴别能力.LHAASO将开展全天区伽马源扫描搜索以大量发现新伽马源,将获得30TeV以上伽马射线探测的最高灵敏度,将在宽达5个数量级的能量范围内精确测量宇宙线分成份能谱,为揭开宇宙线起源谜团给出重要判据.系统介绍了LHAASO的探测器结构、性能优势和科学目标.     

暗物质粒子探测卫星的能量重建和宇宙线质子能谱的分析

宇宙线的观测研究和暗物质粒子的间接探测是高能天体物理领域两个重大研究课题. 自1912年V. Hess发现宇宙线开始, 人类对宇宙线的观测历史已经超过了一个世纪, 传统理论模型预言``膝''区以下能段的宇宙线能谱应服从单一幂率分布, 而近些年的空间和高空气球实验表明10 GeV--100 TeV的宇宙线质子能谱可能存在偏离单一幂律谱分布的重要结构, 这对研究银河系内宇宙线的起源、传播和加速机制具有重要意义. 另一方面, 得益于宇宙线和伽马射线观测精度的提高和观测能段的拓宽, 暗物质粒子的间接探测在国际上受到越来越多的关注, 暗物质粒子可能会发生湮灭或衰变产生稳定的普通高能粒子, 包括正负电子对、正反质子对、伽马射线和中微子等, 进而在宇宙线或伽马射线留下可探测的信号.     

宇宙线通过正比管径迹长度的模拟计算

高能天体物理观测中,宇宙线带电粒子通过探测器丢失的能量常是产生探测器本底信号的重要来源。宇宙线产生的信号与它通过探测器的径迹长度和探测器大小、形状有关。因气球X射线天文观测和γ射线暴观测的需要,空间天文实验室研制了若干种正比计数器,为此我们进行了宇宙线通过正比管径迹长度的模拟计算,它是整个设计工作中的一部分。     

太阳宇宙线的传播效应(Ⅲ)——对氢氦比的影响

本文根据太阳字宙线在行星际空间传播方程的量纲分析解,利用太阳质子观测资料求出的等效扩散系数,讨论传播对太阳宇宙线成分中氢氦比的影响,其中包括随太阳风速、空间坐标的变化.从Perron等收集的HEOS和PIONEER卫星观测的资料中消除了随离太阳距离和能量变化后,可以看到太阳宇宙线的氢氦比是随耀斑磁经度而增大的.经过传播改正得到的太阳上发射的氢氦比初始值与太阳风成分比是接近的.     

极高能宇宙线的研究进展

极高能宇宙线是能量高于≈10^19 eV的带电或中性的宇宙线粒子。其成分和形成机制的研究是宇宙线物理的重要内容之一，对高能天体物理、粒子物理和宇宙学等相关学科具有重要意义，而且很可能是揭示某些新的基本物理规律的突破点。围绕GZK疑难，重点综述了极高能宇宙线的观测和理论研究现状，对其研究前景作了展望。     

CCD图像中宇宙线μ子甄选技术

电荷耦合器件(Charge Coupled Device, CCD)图像中的宇宙线是来自外太空的高能粒子,它穿过大气层,与大气层中的粒子发生相互作用形成次级粒子,最后落在CCD上。μ子是大气层宇宙线的主要成分,为了研究这些μ子的性质和变化规律,首先需要对图像中的μ子进行甄选。介绍一种快速有效地从图像中甄选μ子的方法,采用拉普拉斯边缘检测法从图像中提取宇宙线候选像素列表,去除其中的坏像素和噪声,然后使用凝聚层次聚类算法将宇宙线像素聚类成宇宙线事件,对宇宙线事件进行特征提取和分类,从中甄选宇宙线μ子。最后对甄选结果进行总结分析。     

高能宇宙线的各向异性

宇宙线的各向异性是涉及宇宙线的起源、传播和银河系结构的一个重要而有趣的问题。本文详细介绍了字宙线各向异性研究的历史和现状。为便于理解和讨论,我们对于一些重要的宇宙线物理量给出定义和表达法;并对天体物理状况作简单介绍。本文提到几个理论模型,其中一个是我们自己的。显然,宇宙线各向异性问题仍没有完全解决,还需要进行实验和理论研究。     

宇宙线“膝区”物理简介及国内观测研究进展

宇宙线发现100年来极大地推动了粒子物理学、天体物理学的发展,然而其起源、加速和传播的问题依然是宇宙线研究的三个根本问题。宇宙线“膝区”物理的研究是解决宇宙线这些基本问题的途径之一。简要回顾了宇宙线研究的历史和能谱特点;重点阐述了宇宙线“膝区”的实验观测数据以及重要实验组测量的差异和争论的焦点;归纳讨论了解释宇宙线“膝区”成因的四种主要理论模型,并结合最新实验数据说明了第四种成因(新物理过程)的可能性不大;叙述了国内研究者对宇宙线“膝区”物理研究的贡献;最后对宇宙线“膝区”物理研究的前景进行了展望。     

太阳风、高能暴粒子、太阳高能粒子和太阳宇宙线的谱指数研究

本文根据卫星提供的1963—1978年太阳风实验资料,将太阳风中的质子流作为极低能宇宙线,则能得到0.3—4kev的质子积分通量—动能曲线,使低能宇宙线的能谱向前推进了约三个数量级。所得的极低能宇宙线能谱亦呈幂律谱,即:J(>E)=A_sE~(-γ),具有双幂指数,约在1kev处发生转折,与低能太阳宇宙线能谱非常类似。 最近,卫星ISEE—3观测到46次与行星际激波相联系的高能暴粒子(ESP)事例,在能域35—53kev的各次质子峰值强度恰好绘于联结两能谱的虚线之中。这样,从太阳风、ESP、太阳高能粒子(SEP)到太阳低能宇宙线的能谱都被连接了起来,对于它们的起源,也能获得合理地很好地解释。     

太阳磁场和宇宙线实验规律初探

本文总结了近20年来太阳磁场、太阳行星际磁场的观测结果,较详细地结出了银河宇宙线在空间分布和随太阳活动变化的时间特性,描绘出一幅比较完整的太阳磁场与宇宙线关系的图像。 对于太阳磁场的研究,得到了一般的结论。给出了宇宙线粒子在太阳系中受太阳磁场调制的四种物理因素。     

宇宙线与奇异滴

奇异滴，即质量较小的奇异夸克物质团块，有关它的研究涉及物理学的多个重要分支．如果存在奇异滴，人们对暗物质组分和致密星体结构的认识将会改变，强相互作用的研究也会有新的途径．已经有若干实验结果表明宇宙线中可能含有奇异滴成分．因此，研究宇宙线奇异滴的产生、传播及其与地球大气作用过程等是非常重要的．将重点围绕上述几个问题，综述目前奇异滴研究的现状。     

中国天文学会学术会议(序号13):宇宙线与高能天体物理学术讨论会(1984年11月,重庆)

全国宇宙线与高能天体物理学术讨论会于1984年11月19—23日在四川省重庆市召开。这次会议是由中国天文学会“高能夭体物理”和“星系与宇宙学”两个专业委员会与中国高能物理学会“宇宙线”专业委员会联合召开的。有来自全国各地四十一个单位一百二十八名代表出席了这次会议。这是两个学会第二次联合召开这样的会议,上次是于1980年夏在山东省青岛市举行的。     

捕捉宇宙线的中国身影

夜空中除了繁星,还隐藏着一个巨大的秘密。无数神秘的粒子正以接近光的速度在广袠的宇宙中飞驰,无时不在,无处不在。这些神秘的粒子就是宇宙线。自发现它们之曰起,科学家对宇宙线的研究一直推动着天体物理和空间物理的发展,丰富着人类对宇宙中天体演化现象的了解和认识。宇宙线给人们带来了太阳系以外的物质样本,携带着其产生地"源"天体及其经过的空间环境,乃至天体演化及宇宙早期的奧秘,是人类探索宇宙的重要途径。     

宇宙线分布、氢分布和宇宙γ射线

本文利用几种典型的银河系宇宙线分布律和星际氢分布律计算单漏模式和双漏模式中的弥散宇宙γ射线谱。结果表明,几种典型的宇宙线分布中,李惕碚的分布律优于其他作者的分布律;星际氢分子数量的取值应当比Gordon值除以1.7更小;只要适当地选择宇宙线分布和氢分布就可得到与观测γ谱相近的理论谱,宇宙线分布和氢分布均可在一定范围里选取。     

对脉冲星发射宇宙线能量的估计

S.Karakula等人根据Ostriker等人的脉冲星产生的宇宙线能谱依赖脉冲星年龄的理论模型,利用脉冲星发射宇宙线的最大能量: