相对论性质子和强磁场的碰撞：极高能中微子和光子的产生及应用

发布时间：2020-10-28 05:14

　　 极高能中微子是能量范围在TeV(1012eV)以上的中微子。位于南极的Ice-Cube 中微子探测器建成至今已探测到 80 多个能量介于 100 TeV 和 10 PeV 之间的极高能中微子,并且这些极高能中微子大多数都是来自于太阳系外的天体物理源。在天体物理源中,极高能中微子的两个主要产生途径为宇宙射线和”靶”(质子或光子)发生反应并产生极高能的光子和中微子,即pp/pγ过程。在本篇论文中,我们采用了 FWW近似的方法,在质子的静止系中将磁场比作“虚光子”,并计算得到了宇宙射线和磁场之间的“碰撞”产生极高能中微子和光子的过程。我们将其命名为pB过程。当质子的洛伦兹因子和磁场强度的乘积γpB(?)5 × 1018 G时,pB过程达到反应阈值,质子能量损失率迅速上升超过光子同步辐射。在阈值以上,pB过程引起的质子能量损失率比由于同一磁场中质子的光子同步辐射高约两到三个数量级。同时,我们计算了 pB过程产物中微子、光子谱,讨论了其在天体物理环境中,如在白矮星大气,中子星或恒星质量黑洞等环境中的应用。并将FWW近似方法拓展到重核子的光致分解,得到类似的“磁致分解”效应。同时,我们重点讨论了 pB过程在双黑洞并合事件中的应用。黑洞并合事件是由advanced-LIGO首次发现,对于恒星级双黑洞的并合,在并合前周围气体已经被吸积干净,很难产生足够强能被观测到的电磁和中微子辐射。但是新形成黑洞周围少量的等离子体可以在短时间内支撑一个强度为1011 G的磁场,由于曲率辐射的限制,质子的能量最高可以加速到～1017eV。在最乐观的情况中,如果不考虑质子在加速中的能量损失,质子可以被加速至～1020eV。加速后,质子能量损失的主导过程为pB过程,并且可以产生能量～10 EeV的中微子。对于Advanced-LIGO看到的事件GW150914来说,中微子的流量低于IceCube的探测极限。但是来自距离(?)5Mpc的近源的中微子流量可被IceCube看到,来自黑洞并合事件的弥散中微子背景能够被未来的IceCube-Gen2探测到。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：P141.8
【部分图文】：

?都处于ＫＭ３ＮｅＴ的探测范围内。??如图１．３所示，在南极的冰内，ＩｃｅＣｕｂｅ组件是由５，１６０个数字光学模块（ｄｉｇｉｔａｌ??ｏｐｔｉｃａｌ?ｍｏｄｕｌｅ，简写为ＤＯＭ）组成，每个模块都是由一个１０英寸的光电倍增管??和对应的电子元件组成。数字光学模块附着在８６根垂直的“弦”上，被放在在冰??面以下的１４５０米到２４５０米深的地方，排列成了一个体积约一立方公里的阵列。??弦上的数字光学模块的垂直间隔为１７米，每根弦上有６０个数字光学模块；弦的??水平分布为六边形网格状，间距为１２５米。??？?Ｉｃｅｃｕｂｅ??－??５〇?ｍ?ｋｅＴｉ－ｐ?，??，：?，：ａ＞－??Ａｍｕｎｄｓｅｎ－Ｓｃｏｔｔ?Ｓｏｕｔｈ??ｍ…?Ｐｏｌｅ?Ｓｔａｔｉｏｎ

的几率也更大。通过观测数据我们可以反推出中微子的能量，但是只能十分粗略??地分辨它来源的方向（？１０°）。??图１．４是ＩｃｅＣｕｂｅ于２０１０年６月４日观测到的一个能量为１１７．０ＴｅＶ的典型??的团状事件的观测数据。在图１．４中，有颜色的色块则表示有探测到光信号的区??域，色块的大小和探测到光子数成正比。不同颜色代表的是数字光学模块响应的??时间先后，整体时间线从早到晚的颜色是由红色向绿色过渡。上方的三个小图为??这个信号在ＩｃｅＣｕｂｅ探测器中的三视图，在下方的大图中数字光学模块组成的弦??用灰色线表示。??（２）类轨迹（Ｔｒａｃｋ－ｌｉｋｅ）事件??轨迹事件的主要反应式可以写为??Ｖｙ?＋?Ｎ?—?ｔｉ?＋?Ｘ?（１．２）??当一个＃子中微子进入探测器内部，通过交换带电的玻色子和冰中的核子??反应并生成一个＂子，／／子在光电倍增管中发生切伦科夫辐射并形成一个小团??状的信号。由于＂子的半衰期为？１ＣＴ６ｓ，生成的极端相对论的＃子在冰中行走??一段很短的距离后

?ｒＭ、??Ｔ：ｎｎ＊??图１．４丨ｃｅｃｕｂｅ中一个团状事件的观测实例，来自网页ｉｃｅｃｕｂｅ．ｗｉｓｃ．ｅｄｕ。这也是文献丨２丨中??报道的烈个中微子中的第一个中微子事件。??１０??
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本文编号：2859643