大科学装置与高能宇宙线起源的探索

大科学装置已经成为全球创新系统中具有支撑作用的框架结构,对中国作为一个国家和宇宙线物理作为一个研究领域来说也是一样的.在其一百年发展史中,传统的宇宙线研究并非完全以大科学装置为依托.20世纪80年代以后,为了探索宇宙中微子和极高能宇宙线粒子,那必不可少的巨大中微子灵敏体积和至少上千平方公里的极高能宇宙线探测面积才给这个古老的学科设定了新的标准,而随之提出的几个大科学装置相继建成并在近几十年的宇宙线研究的辉煌成就中占据了核心地位,尤其在甚高能伽马射线天文学.在过去的20年内,中国为发展巡天普查伽马射线源的广延空气簇射技术做出了巨大的努力,成功地运行了ASγ和ARGO-YBJ两个高海拔国际宇宙线实验.现在,我们提出独具特色的高海拔空气簇射测量装置LHAASO的建设计划,建设面积达一平方公里的复合探测器阵列,以多种探测手段的有机组合寻求发现高能宇宙线起源,挑战新世纪里未解之科学难题.凭借其30 TeV以上最高的探测灵敏度,LHAASO将成为整个宇宙线研究领域的支柱项目之一.     

LHAASO实验中宇宙线次级粒子特性的模拟研究

高海拔宇宙线观测站(LHAASO)位于四川稻城海子山,海拔约4400 m,该实验采用多种手段,对进入大气层的宇宙线粒子进行精确的复合测量.高海拔区域,雷暴天气频繁,广延大气簇射中宇宙线次级粒子的数目、方向和能量都会受到雷暴电场的影响.本文利用Monte Carlo方法,模拟了宇宙线原初粒子进入大气层后的广延大气簇射过程,研究了次级粒子中光子、电子、μ子的纵向分布、横向分布和能量分布.结果表明,在LHAASO探测面,电子的数目比μ子多2～3倍、μ子横向分布范围比电子宽广、μ子的能量比电子大.若在雷暴期间,大气电场对电子(质量小、数目多)的影响将会更加明显.本工作对研究雷暴电场加速宇宙线次级带电粒子的物理机制具有重要意义,同时为理解地面实验的观测现象提供有用信息.     

LHAASO与宇宙线起源

宇宙线的能谱延展到超过10¹⁵电子伏特(PeV)的能段,这表明银河系中存在超高能的宇宙线加速源.而近期的甚高能伽马射线观测表明,长期以来被认为是主要宇宙线加速源的超新星遗迹很难把宇宙线加速到超高能.因此,寻找超高能(PeV)宇宙线加速源是宇宙线起源研究中的核心问题.其中一个最直接的方法就是寻找加速源附近宇宙线与星际气体相互作用产生的超高能伽马射线辐射.我国的高海拔宇宙线观测站(LHAASO),由于其在超高能伽马射线能段世界领先的灵敏度,成为这一研究的理想工具.LHAASO半阵列建成后一年之内,已经在银盘上观测到了十二个超高能伽马射线源,在这一领域取得了突破性的进展.本文将介绍这些已得到的观测结果,并对LHAASO全阵列建成后可能的新进展进行展望.     

2021年天文学热点回眸

回顾了2021年天文学领域取得的重大进展,盘点了一系列重大的成果和事件:在火星探测方面,多国探测器相继抵达火星并开展科学研究,"洞察号"首次揭秘火星内部构造;中国高海拔宇宙线观测站(LHAASO)观测到1.4 PeV能量的光子;"悟空号"取得氦核70 GeV至80 TeV能段的精确能谱;冰立方中微子天文台(IceCub...     

西藏宇宙线实验的回顾与展望

文章简要回顾我国宇宙线物理研究的历史,重点介绍了在西藏开展宇宙线实验的发展历程及取得的重要成果,如中日合作甘巴拉山乳胶室实验、中日合作羊八井ASγ实验及中意合作羊八井AR-GO-YBJ实验,并对在西藏开展高海拔宇宙线实验的前景进行了展望。     

LHAASO-WCDA探测器时间刻度的研究

在高能物理宇宙线观测中,探测器时间标定系统的精度至关重要.对于LHAASO实验WCDA探测器,时间测量的精度决定了测量原初宇宙线方向的灵敏度.为达到0.2 ns的时间精度,给出了一种基于物理簇射事例的时间刻度方法,并实现刻度探测器阵列的离线刻度软件.使用蒙特卡洛模拟数据对该方法进行检验,方法能够满足时间刻度的要求.     

利用ARGO实验寻找GRBs的本底研究

位于西藏羊八井宇宙线观测站(海拔4300 m)的ARGO-YBJ实验具有高海拔、大视场、全覆盖特点,其阈能约几百个GeV,在探测高能GRBs方面具有独特的优势.ARGO-YBJ实验不能分辨光子和质子,要在大量的宇宙线事例中找出光子信号,就必须正确地估计背景事例率,这是寻找高能GRBs的关键.本文采用"等天顶角法"对ARGO实验中寻找GRBs的宇宙线本底进行了分析.由于地球的自转,天顶角随着时间的变化而变化.本文重点分析了长暴在其持续时间内天顶角的变化,从而更加准确地进行了本底估计.     

高能伽玛射线观测研究进展和展望

高能伽玛射线辐射位居宇宙电磁辐射频带的高端,联系宇宙天体巨大能量释放和相对论性粒子加速及其非热辐射过程,是探索极端条件下物理过程的重要天文窗口,也是研究"世纪之谜"——宇宙线起源问题的重要手段.随着新一代探测器的稳定运行,天基和地基伽玛射线探测均取得了丰硕成果.在100 Me V能段,2008年上天的Fermi卫星已将伽玛射线源由三百增加到三千多个.在100 Ge V能段,地面切伦科夫望远镜HESS,MAGIC,VERITAS和地面EAS阵列Tibet ASγ,Milagro,ARGO-YBJ,自2003年以来已将伽玛射线源由十多个提升到一百六十个,同时,下一代探测器CTA和LHAASO也在稳步推进中,未来将把地基探测能力提升一个量级以上.本文主要介绍各家实验概况及其取得的重要观测进展,然后分类概括各种类伽玛射线源(脉冲星及其风云、超新星遗迹、伽玛射线双星、活动星系核、伽玛射线暴及其他伽玛射线源)的观测研究现状,并对未来CTA和LHAASO实验进行展望.     

中意合作西藏羊八井ARGO-YBJ实验成果概览

文章简要介绍了中意合作西藏羊八井ARGO-YBJ宇宙线观测实验的物理目标和探测原理,重点概述了ARGO-YBJ阵列自2007年稳定运行以来在宇宙线实验观测中取得的重要成果,如甚高能γ点源、大尺度各向异性、宇宙线月亮阴影效应和全粒子谱等。     

我校召开《空气簇射的时间结构及其对超高能宇宙线探测的应用》科研课题论证会

空气簇射的时间结构及其对超高能宇宙线探测的应用是宇宙线研究的一个新领域。1983年国外有人提出利用时间结构探测超高能宇宙线。这一方案具有使用小阵列能起到大阵列的探测效果。它的研究成功将开辟高能宇宙线探测的新局面,引起各国宇宙线工作者的极大关     

基于ARGO实验利用等天顶角方法寻源中的方位角修正

在利用等天顶角法全天区搜寻γ源的过程中,做出的天图是非常不均匀的。但是由宇宙线的知识可知宇宙线是各向同性的,而造成天图不均匀的主要原因是方位角分布的不均匀性,需要对方位角进行修正。通过对修正后的显著性的高斯分布的分析可知：在等天顶角方法寻源过程中的方位角修正是成功的,可行的。     

宇宙线与地球气候变化相关性研究进展

近百年来的地球气候变化已是不争的事实,导致气候变暖的主要原因很可能是大量排放温室气体的结果,但也有研究表明,地球气候变化与宇宙线也存在一定的相关性。文章综述了该领域的研究现状和重要结论,重点介绍了宇宙线影响气候的模型,对CERN的CLOUD实验和羊八井国际宇宙线观测站开展的工作进行了展望。     

高能宇宙线C,N和O的反常同位素的解释

近期观测和理论表明,宇宙线可源于类太阳恒星,且在星际空间中有净能量增益,由此,本文提出了在太阳域内用厚板模型,在星际介质中用泄漏箱模型描述的传播模型,可以解释实验观测到的高能宇宙线C、N和O的同位素反常。     

超高能宇宙线事例到达方向的重建

简单介绍了HiRes(High Resolution Fly's Eye)高能宇宙线实验。根据探测器的特点,发展了一套新的宇宙线事例到达方向的重建方法,即HiRes2时间-HiRes1中心矢量法。该方法利用了HiRes2的时间信息以及HiRes1的中心矢量,使得探测器的角分辨整体上达到0.43°。文中还研究了探测器的角分辨随着能量的变化关系,对于能量大于1018.4eV的事例,探测器的分辨率好于0.4°。     

Enhancements of energetic particles near the heliospheric termination shock

The spacecraft Voyager 1 is at a distance greater than 85 au from the Sun, in the vicinity of the termination shock that marks the abrupt slowing of the supersonic solar wind and the beginning of the extended and unexplored distant heliosphere. This shock is expected to accelerate 'anomalous cosmic rays', as well as to re-accelerate Galactic cosmic rays and low-energy particles from the inner Solar System. Here we report a significant increase in the numbers of energetic ions and electrons that persisted for seven months beginning in mid-2002. This increase differs from any previously observed in that there was a simultaneous increase in Galactic cosmic ray ions and electrons, anomalous cosmic rays and low-energy ions. The low-intensity level and spectral energy distribution of the anomalous cosmic rays, however, indicates that Voyager 1 still has not reached the termination shock. Rather, the observed increase is an expected precursor event. We argue that the radial anisotropy of the cosmic rays is expected to be small in the foreshock region, as is observed.     

The knee at cosmic ray spectra is explained due to interactions at the sources

In the paper the authors from the Key Laboratory of Particle Astrophysics, Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences in Beijing proposed a new model trying to explain the knee at cosmic ray spectra. The knee kept as a puzzle in cosmic ray physics for nearly half a century. The work was inspired by the recent observation of anomalous excess of electrons and positrons in cosmic rays. The work tries to explain the knee and the electron/positron excess in a single model.......