联合ARGO-YBJ实验和ASγ实验对高能宇宙线大尺度各向异性的研究

发布时间：2020-06-17 05:55

【摘要】：1912年,Hess乘坐热气球,发现了宇宙线,由此拉开了关于宇宙线研究的序幕。而宇宙线的三个基本问题:起源、加速和传播,至今仍然没有明确的定论。位于西藏羊八井宇宙线观测站的ARGO-YBJ实验和ASγ实验,经过长期的运行,都积累了很大统计量的观测数据。本文介绍了联合ARGO-YBJ实验与ASγ实验数据对高能宇宙线大尺度各向异性的研究。综合多家实验的观测结果发现,宇宙线大尺度各向异性随着能量的演化具有明显的变化。在十几个TeV能段,在赤经50°-100°之间,各向异性有一个明显的超出结构,在赤经150°-250°之间,各向异性有一个明显的缺失结构,Nagashima等人将这两个各向异性结构分别称之为“Tail-in”结构和“Loss-cone”结构。当能量升高到50TeV时,“Tail-in”结构逐渐消失不见。有研究推测,“Tail-in”的形成起源于银河系,“Loss-cone”的形成起源于河外星系,因此“Tail-in”结构所对应的能量相对较低,当能量逐渐升高时,“Tail-in”结构消失。各家试验表明,能量在100TeV附近时,各向异性结构的分布会有一个明显的变化,但具体为什么发生如此变化以及具体是如何变化的,还没有一个明确的定论。ARGO-YBJ实验从2006年开始运行,到2013年停止运行,具有全天候、高海拔、宽视场和能阈低等优点,本工作选择的是从2008年到2012年五年的完整数据;ASγ实验从1990年建成至今,积累了大量的有效数据,本工作选择的数据是Tibet-III期阵列,从2000年到2010年十一年间的数据,运行时间长,积累的数据量也更多。本文介绍了联合ARGO-YBJ实验和ASγ实验观测数据对宇宙线对各向异性的分析结果以及讨论:第一章主要是对宇宙线大尺度各向异性的背景进行介绍,包括最新的研究进展。第二章主要介绍了ARGO-YBJ实验和ASγ实验的基本情况以及其探测原理和数据的模拟和筛选。第三章主要介绍了分析宇宙线各向异性的三种研究方法。第四章主要介绍了基于等天顶角的背景估计方法对ARGO-YBJ实验数据以及ASγ实验数据高能部分进行的分析。对能量在100TeV附近的事例进行了细致的研究。之前的研究结果显示,“Tail-in”结构在50TeV时开始消失,在100TeV时各向异性的结构发生了一个明显的变化。而在100TeV附近,由于能量较高,事例数比较少,所以此项工作是分别选择ARGO-YBJ实验和ASγ实验高能部分的事例进行分析,这些事例的中值能量大约为100TeV,联合两个实验的实验数据以此来提高实验数据的统计量。在分析中可以看出,两个实验在100TeV时的分布并不很一致。在将两个实验的事例加起来,共同去观察100TeV的各向异性分布时,可以发现,各向异性的分布与其他实验的结果还是比较一致的,“Tail-in”结构基本已经消失,超出结构与缺失结构的位置已经出现变化的趋势,在右侧的区域已经出现了一个超出结构。但是值得注意的一点是,在赤经30°-100°,赤纬20°-80°的范围内,有一块并不明显的缺失结构,这就说明在缺失结构的位置发生变化的过程中,高纬度部分率先出现缺失结构。最后第五章主要是对本工作的总结,以及对宇宙线各向异性研究未来前景的预期,并且交代了后续的一些工作。
【学位授予单位】：河北师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P159;P172.4
【图文】：

分布情况,宇宙线,银河系中心,太阳系

图 1.1 太阳系绕银河系中心旋转究了高能部分的宇宙线大尺度各向异性的分布。低能部分宇晰明确，宇宙线高能部分的分布情况在之前的研究中虽然也，具体的分布情况还不明确。本文通过联合 ARGO-YBJ 实验统计量，来研究高能部分宇宙线大尺度各向异性的分布情况宙线观测实验有建立在南极的 Ice-Cube 和 Ice-Top 实验，在北半球，有西验和中意合作的 ARGO-YBJ 实验，美国新墨西哥州的 MILA的 HAWC 实验等。由于探测手段和探测效率的不同，能量出的结果会有略微的差异。的 HAWC 实验，是高海拔的水切伦科夫伽马射线探测阵列

各向异性分布,宇宙线,恒星时

大气中的宇宙射线空气簇产生的。这些大气介子构成了中微子分析的大背景，也提供利用冰立方作为大型宇宙射线探测器的机会。位于地面的大气簇射阵列由 81 个地面组成，每个站有两个不透光的水箱，托管两个 DOM。地面阵列的触发率约为 30HZ，量的触发阈值约为 400TeV。从 2009 年 5 月到 2015 年 5 月，Ice-Cube 中微子探测器集了 3180 亿个事例，地表的探测器阵列收集了 1.7 亿个高能事例。1.3 大尺度各向异性的研究进展本文着重研究了在恒星时周期下大尺度各向异性的分布。所谓恒星时，就是地球相于恒星的自转周期为基准的时间计量系统，因此，在恒星时周期下，体现了宇宙线流在更大尺度宇宙空间的方向依赖性。在低能端（＜1013eV），北天区恒星时各向异性布呈现一个双极结构，如图 1.2，这是 ASγ在 2006 年公布的实验结果[14]，中值能量为TeV，图 1.2（a）是从 1997 年到 2001 年的实验结果，图 1.2（b）是从 2001 年到 2005

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