（粒子物理与原子核物理专业论文）利用羊八井三期阵列数据搜寻vheγ射线点源.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 ， 论文作者签名：j 瞌日期：逻：篁：i ! 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：i 邀鑫导师签名：论文作者签名：! c 逸雏导师签名：日期：业： 山东大学博士学位论文 利用羊八井三期阵列数据搜寻v h ey 射线点源 摘要 宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子流，它是获得天体信息的渠道之一。宇宙线物 理主要是研究宇宙线的起源加速及其在宇宙空间传播与调制机制的学科。y 射线是 宇宙射线中的重要成分之一，因为y 射线是电中性的，传播过程中不受磁场的调制， 带有源的方向及其它物理特性的信息。通过观测高能y 射线可以探究高能背景辐射 的起源高能y 源的发射机制、源中物质成分和状态以及y 射线爆发的本质等问题。 高能y 射线的观测主要有卫星实验、大气c h e r e n k o v 望远镜实验和地面广延大 气簇射( e a s ) 阵列实验等几种。它们各有其特点：卫星实验可以对宇宙线进行直 接观测；大气c h e r e n k o v 望远镜实验对光子和强子具有良好的分辨能力；而地面e a s 阵列实验具有视场宽能量分辨好和有效观测时间长的特点。 本工作是利用中日合作的羊八井a sy 实验数据进行甚高能( v h e ) y 点源的寻 找，从而对宇宙线起源等问题进行研究。 第一章首先对宇宙线的产生、加速和传播机制作了简单介绍。该章介绍了宇宙 空间中y 射线的产生机制p u l s a r 、s n r 和a g n 三种加速带电粒子的机制，以及 宇宙线粒子在地球大气中的传播特性，以加深对宇宙线的产生及传播特性的理解。 然后，是关于目前y 射线天文学实验的情况，主要简单介绍高空卫星实验和地面实 验，其中地面实验包括大气c h e r e n k o v 望远镜实验和空气簇射阵列实验两种实验手 段。了解世界上主要宇宙线实验的实验情况及已获得的实验成果，并对此加以比较 和讨论。 第二章介绍了羊八井a s 3 阵列实验探测器的结构和工作原理，以及该实验数据 获取系统的原理，讨论了数据重建的方法。羊八井a s 7 实验地理位置的海拔高度恰 在1 0 一1 0 1 7 e v 能区的广延大气簇射发展最大处，探测效率高；随着不断地加密改造， 阵列阂能大大降低，触发率提高，增大了事例统计量；通过月影的成功观测已证明 阵列具有良好的角分辨率，所以利用该实验进行高能y 射线点源的寻找，有望得到 新的成果。 山东大学博士学位论文 第三章讨论了在寻找点源的过程中，背景事例数的三种估计方法一一等天顶角 ( e q u i z e n i t ha n g l e ) 方法，赤经扫描( r i 曲t a s c e n s i o ns c a n ) 法和全天区扫描( a l l s k y s c a n ) 方法。本章对等天顶角方法、赤经扫描法的处理办法作简单介绍，重点讲述 全天区扫描方法。全章具体介绍三种背景估计的处理办法，分析了它们各自的优点 和缺点。在本工作中，我们应用的是全天区扫描方法。 第四章利用全天区扫描方法对羊八井三期阵列数据在赤纬一1 0 0 7 0 0 范围进行 v h ey 点源的寻找。首先，对实验数据的可靠性进行了分析，给出了三期阵列p h a s e i 和p h a s e i i 数据的各种分布，并用该数据作出了月影对其加以检验。其次，利用全 天区扫描方法对全天区进行了扫描，给出了扫描结果；同时，对c r a b 、m r k 4 2 1 、 m r k 5 0 1 等几个著名的y 点源和部分超新星遗迹及活动星系核进行了扫描分析，结果 发现来自m r k 4 2 1 能量在3 t e v 以上的r 信号的显著性为6 2 4 a 。最后，结合模拟计 算，求出了c r a b 、m r k 4 2 1 、m r k 5 0 1 等几个y 点源的流强上限。 第五章是对本论文工作的总结与展望。 关键词：广延大气簇射阵列 y 射线源 全天区扫描方法 显著性 流强上限 4 山东大学博士学位论文 s e a r c h i n g f o rv h e g a m m a r a yp o i n t s o u r c e s w i t ht h ed a t af r o mt i b e ti i i a r r a y a b s t r a c t c o s m i cr a y sa r eh i g h e n e r g yp a r t i c l e sc o m i n gf r o mc o s m i cs p a c e ，f r o m w h i c ht h ei n f o r m a t i o no ft h ec e l e s t i a lb o d i e sc a nb eg o t t e n c o s m i cr a y p h y s i c s i sa d i s c i p l i n e t h a t m a i n l y s t u d i e st h em e c h a n i s mo ft h e g e n e r a t i o n ，a c c e l e r a t i o n ，p r o p a g a t i o na n d m o d u l a t i o no ft h ec o s m i cr a y s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o n s t i t u e n t so fc o s m i cr a y sa r eg a l ar a y s ，w h i c h a r en e u t r a la n dc a r r yt h ei n f o r m a t i o no ft h ed i r e c t i o na n ds o m eo t h e r p h y s i c sc h a r a c t e r i s t i c so ft h e s o u r c eb e c a u s et h e ya r en o tm o d u l a t e db y m a g n e t i cf i e l di nt h ep r o c e s s o fp r o p a g a t i o n q u e s t i o n ss u c ha st h eo r i g i n o fh i g h e n e r g yb a c k g r o u n dr a d i a t i o n ，e m i s s i o nm e c h a n i s mo fh i g h e n e r g y g a m m as o u r c e ，c o n s t i t u e n t sa n ds t a t u so fm a t e r i a l si nt h es o u r c ea n dt h e e s s e n c eo fg a m m ar a yb u r s t s ，e t c ，c a r lb es t u d i e da n de x p l a i n e dt h r o u g h t h eo b s e r v a t i o no ft h eg a m m ar a y s t h eo b s e r v a t i o no nh i g h e n e r g yg a m m ar a y sm a i n l yi n c l u d e se x p e r i m e n t b a s e do nt h es a t e l i i r eo rh a l l o o nh i g hi nt h ea i r ，a i rc h e r e n k o vt e l e s c o p e ( a c t ) e x p e r i m e n t sa n de x t e n s i v ea i rs h o w e r ( e a s ) a r r a ye t c e a c ho ft h e m h a si t so w na d v a n t a g e s ：t h ef i r s tk i n d o fe x p e r i m e n tc a ng i v ed i r e c t o b s e r v a t i o no nc o s m i cr a y s ，a n dt h es e c o n do n e h a s t h e a b i l i t y t o d i s t i n g u i s hs h o w e r si n d u c e db yg a m m ar a y sa n dh a d r o n s ，w h i l et h el a s to n e h a s t h ea d v a n t a g e so fw i d ed e t e c t i v ea n g l e ，g o o de n e r g yr e s o l u t i o na n d h i g hd u t yc y c l e ，e t c t h i st h e s i si ss e a r c h i n gf o rv e r yh i g h e n e r g yg a m m ar a ys o u r c eu s i n g t h ed a t ao b t a i n e df r o mt h et i b e ti l la r r a yo fy a n g b a j i n ga sye x p e r i m e n t 5 山东大学博士学位论文 c o n s t r u c t e db ys i n o j a p a n e s ec o l l a b o r a t i o nt os t u d yt h eq u e s t i o n so ft h e o r i g i no fc o s m i cr a y s ，e t c i n c h a p t e r1 ，t h e m e c h a n i s m p r o p a g a t i o no fc o s m i cr a y si sb r i e f o f g e n e r a t i o n ， a c c e l e r a t i o na n d i n t r o d u c e d as i m p l ee x p l a n a t i o ni s f i r s g i y e no f tt h em e c h a n i s mo fg e n e r a t i o no fg a m m ar a y s i nt h ec o s m i c s p a c e ，t h r e e k i n d so fa c c e l e r a t i o nm e e h a n i s mo fc h a r g e dp a r t i c l e s p u l s a r s n ra n da g na n dt h ep r o p a g a t i o no fc o s m i c r a yp a r t i c l e si nt h e a t m o s p h e r eo ft h ee a r t hi no r d e rt ou n d e r s t a n dt h e s es u b j e c t sd e e p l y t h e f o l l o w i n gi sa b o u tt h ee x p e r i m e n t so nt h eg a m m ar a ya s t r o n o m yt h a ti n c l u d e e x p e r i m e n tb a s e do nt h es a t e l l i t e ，a i rc h e r e n k o vt e l e s c o p ee x p e r i m e n t s ( a c t ) a n de x t e n s i v e a i r s h o w e r ( e a s ) a r r a y e t c t h es t a t u sa n d a c h i e v e m e n t so fm a i ne x p e r i m e n t so nc o s m i cr a y si nt h ew o r l da r ec o m p a r e d a n dd is c u s s e d i n c h a p t e r2 ，t h e s t r u c t u r e sa n d p r i n c i p l e o fd e t e c t o r s ，d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mo fy a n g b a j i n ga sye x p e r i m e n ta r ed e s c r i b e da n dt h e s h o w e rr e c o n s t r u c t i o nm e t h o d sa r ed i s c u s s e d t h ee x p e r i m e n th a sah i g h e r d e t e c t i v ee f f i c i e n c yb e c a u s eo fi t sf a v o r a b l eh i g ha i t i t u d ew h e r ei sj u s t t h em a x i m u mo ft h ed e v e l o p m e n to ft h ea i rs h o w e ri n d u c e db yp r i m a r y p a r t i c l e s i nt h ee n e r g yr a n g eo f1 0 “一1 0 ”e v t h ed a t as t a t i s t i c sa r e e n h a n c e do w n i n gt oi t si n c r e a s i n gt r i g g e rr a t ea n dl o w e rt h r e s h o l de n e r g y o ft h ea r r a yw i t ht h eu p d a t eo ft h ee x p e r i m e n t i na d d i t i o n ，e x c e ll e n t a n g l er e s o l u t i o no fl e s st h a n1 。h a sb e e nv e r i f i e db yo b s e r v a t i o no ft h e m o o ns h a d o w s oi t sh o p e dt h a ts o m e n e wr e s u l t sw i l lb eg o t t e ni n s e a r c h i n gf o rt h eh i g h e n e r g yg a m m ar a ys o u r c e sw i t ht h ea sya r r a y i nc h a p t e r3 ，e q u i z e n i t ha n g l em e t h o d ，r i g h ta s c e n s i o ns c a nm e t h o d a n da l l s k ys c a nm e t h o du s e di nt h ee s t i m a t i o no ft h en u m b e ro fb a c k g r o u n d e v e n t sa r ei n t r o d u c e d t h e i ra d v a n t a g e sa n ds h o r t c o m i n g sa r ea n a l y z e da n d d i s c u s s e d t h ea l l s k ys c a nm e t h o di sd i s c r i b e di nd e t a i la n du s e di nt h i s w o r k 6 山东大学博士学位论文 i nc h a p t e r4 ，t h ef i e l do fa 1 1s k yi nt h ed e c l i n a t i o nb a n db e t w e e n 一1 0 一7 0 “iss e a r c h e df o rt h ev e r yh i g h e n e r g yg a n m l ar a ys o u r c e sw i t ht h e m l - s k ys c a rm e t h o du s i n gt h ed a t af r o mt h et i b e t l i ia r r a yo fy a n g b a j i n g a sy e x p e r i m e n t f i r s t l y ，t h er e l i a b i l i t yo f t h ee x p e r i m e n t a ld a t ai s a n a l y z e d ，v a r i o u sd i s t r i b u t i o n so ft h ed a t af r o mt h ep h a s e ia n dp h a s e i i o f h b e ti i ia r r a ya r eg i v e n ，a n dt h em o o ns h a d o wi sg i v e nf o rt e s t e d s e c o n d l y ，t h er e s u l t so fa 1 1s k yw i t ht h ea 1 l s k ys c a nm e t h o da r eg o t t e n ， a n dt h es i g n a l so fg a n _ 1 f n ar a y sa b o v e3 t e va n dl o t e vf r o mc r a b ，m r k 4 2 1 ， m r k s 0 1a n ds o m eo fs n r sa n da g n sa r es e a r c h e da n da n a l y z e dr e s p e c t i v e l y i t i sf o u n dt h a tt h es i g n i f i c a n c eo ft h es i g n a l sa b o v e3 t e vf r o mm r k 4 2 1 is6 2 40 ，w h i c hh a ss u r p a s s e dt h ec r i t e r i o no f s o u r c ec o n f i r m a t i o n l a s t l y ，c o m b i n i n g t h es i m u l a t i o n o ft h ed e t e c t i o ne f f i c i e n c y o f y a n g b a j i n ga sya r r a y ，t h ec a l c u l a t i o no ft h ef l u xu p p e rl i m i t si sm a d e ， a n dt h ec o r r e s p o n d i n gr e s u l t so fc r a b ，m r k 4 2 1 a n dm r k 5 0 l a r eg i v e n c h a p t e r5 i sa b o u tt h es u m m a r yo ft h et h e s i sa n dap r o s p e c to ft h e y a n g b a j in ga sya r r a ye x p e r i m e n t k e yw o r d s ： e x t e n s i v ea i rs h o w e ra r r a y g a m m a r a yp o i n t s o u r c e a 1 l s k y s c a nm e t h o d s i g n i f i c a n c e f l u xu p p e r1 i m i t 7 由东大学博士学位论文 第一章引言 宇宙线是来自地球外部空间的高能粒子流，它的存在是1 9 1 2 年黑斯( v - f h e s s ) 在研究大气电导率时偶然发现的。三四十年代，宇宙线成了当时唯一的 高能粒子源。宇宙线的产生、加速调制及其传播等机制是宇宙线物理的基本问题。 高能宇宙线物理学和天体粒子物理学正在通过各种不同的实验手段对此进行探 索。y 射线是宇宙线中的重要成分之一，由于它具有电中性，其方向带有y 射线 “源”的信息。并且，不同能量y 射线的产生机制反映了发生在y 射线“源”上 的不同高能相互作用过程；同时，y 射线传播特性体现了星际间高能相互作用过 程。通过对y 射线“源”的观测对于研究理解宇宙线的起源、加速机制及其传播 等机制具有重要意义。直到2 0 世纪后期，各宇宙线实验组通过卫星、c h e r e n k o v 望远镜和地面阵列等实验形式，探测到了许多来自河外和河内的各种宇宙射线， 发现了若干高能宇宙射线源，这都加深了人类对宇宙射线的产生机制、加速机制 及其传播等机制的认识。本章就y 射线的产生机制、加速机制及其传播等机制及 其有关实验作一下简单介绍。 1 1 y 射线产生加速及传播机制 1 1 1y 射线产生机制 宇宙y 射线的产生机制主要有：( 1 ) e + e 一的湮灭；( 2 ) 电子轫致辐射；( 3 ) 高能电子在磁场中的同步辐射；( 4 ) 电子光子的逆c o m p t o n 散射；( 5 ) e + e 一在强 磁场中的曲率辐射；( 6 ) 万。的衰变。 ( 1 ) e + e 一的湮灭 具有极端相对论能量的e + 和e 对在碰撞发生湮灭，其截面为2 1 ： 山东大学博士学位论文 叮。：堕瞰2 v ) 一i j v 其中v = 。m 。c ? 是p + 的l o r e n t s 因子，7 ：= e ：m 。c 。= 2 8 2 1 0 “c l 是电子的 经典半径。发射的光子能谱连续谱。由于e + e 一湮灭的截面小，湮灭的平均自由 程大，因此，这一过程对宇宙空间中的y 光子贡献很小。 ( 2 ) 电子的轫致辐射 在天体物理学中，轫致辐射泛指一个电子在与正离子发生碰撞而速度突然改 变时产生的辐射。能量为e 的电子在电荷量为z 的原子核库仑场中辐射出能量 为e 。光子的微分截砸为【3 1 ： 叮( ee j et l d e i ：4 c t z 2 r ：, 了d e y f ( e e j v l 其中 f ( e e j v l i ! l + ( 1 一v l z 一毛i l v ( 生l 一乏j jm c y2 c l 是精细结构常数，v = e r e 。计算表明宇宙线高能电子在星际气体中通 过轫致辐射产生光子的产生率为： q b e r ) = 4 3 x l o - 2 s n l ( e e 。y ) c m - j s - t m e v i ”是星际间靶粒子数的密度，。r e ，j 是电子的积分能谱。轫致辐射的发射角很 小，能谱形状正比于毛，该过程主要发射低能的y 光子 ( 3 ) 电子的同步辐射 同步辐射是相对论电子在磁场中偏转加速而产生的一种电磁辐射。能量为 e 。的电子在强度为日的均匀磁场中，与磁力线的夹角为0 方向上辐射出的同步 辐射光子的强度为： ci iy = ! 三! n e ( k ) h s i n ( e 兰l k313 ( r 1 ) d r l ”1 c v e v 0 ， 其中，n 。( k ) 是辐射方向上单位立体角内的电子数目，e 是电子电荷，k 5 3 是第二 【1 i 东大学博士学位论文 类贝塞尔函数，v 是辐射光予频率，而 铲3 e 1 1 s i n ( o ) ( 与j 。 4 翮，cm c 一 辐射的最大能量和频率为： k 一( e = 5 x l o - g h - 斋 v m a 。= 1 2 x i 0 6hl 二与) 2 p c 其中h 1 = h s i n ( o ) 以g a u s s 为单位。 由此公式可以看出，相对论电子在极强的磁场中才可能产生v h ey 射线。这一 过程产生的低能y 射线对逆c o m p t o n 散射过程起着极其重要的作用。目前普遍 认为，大多数非热的宇宙线辐射正是这种同步加速辐射。例如，类星体、射电星 系、超新星遗迹的射电辐射等n ( 4 )电子光子的逆c o m p t o n 散射 c o m p t o n 散射是光子与静止电子的碰撞过程；而逆c o m p t o n 散射是由于高 能( 相对论性的) 电子与辐射场中光子相互碰撞而使低能光子获得能量的散射过 程。相对论性的电子与能量为的光子通过逆c o m p t o n 散射发射光子的截面和能 量为： 当坩 州。c 2 时 a = 专叫号璎n t 熹，+ 百舸r f 言”万+ j e ，兰e 。 其中盯，= 里 = 丘酊x 1 0 - 2 5 硎? ，：是 r o m p s 。n 截面。 山东大学博士学位论文 平均来讲，在v g e v ) 的主要 途径( 方式) 。 i i 2 带电粒子的加速机制 宇宙y 射线产生机制是带电粒子间相互作用、带电粒子间与星际间物质相互 作用、背景辐射和磁场间相互作用等。而欲产生宇宙v 射线就必须把带电粒子加 速到一定能量，这就涉及到了带电粒子的加速机制问题。人们多年来通过实验对 宇宙线粒子的了解和理解，就空间范围来讲，加速机制分为河内与河外两种情况。 其中河内有脉冲星( p u l s a r ) 和超新星遗迹( s n l q 两种类加速机制模型，而河外主要 是活动星系核( a g n ) 类加速机制模型。 ( 1 ) 超新星遗迹( s n r ) 加速机制模型 实验观测发现：超新星爆发是银河系内宇宙线粒子的主要来源。大约每3 0 - 5 0 年银河系内有一次超新星爆发，每次爆发都释放出大量能量( 约1 0 s o 1 0 ”c r g ) 并把这些能量注入银河系，以辛 充那些逃逸出银河系的粒子所带走的能量，保持 银河系宇宙线通量的准稳恒状态。 超新星爆发根据其光谱、光度和发生频率等特征可分为：( 1 ) 壳型超新星遗 迹；( 2 ) 、实心型超新星遗迹( p l c r i o n s ) ；( 3 ) 、混合型超新星遗迹。 壳型超新星遗迹通过自由膨胀、绝热和辐射等演化过程，产生激波t 这些激 波波前与星际间物质相互作用发射x 射线，并加速宇宙线粒子。1 9 4 9 年f e r m i 提 出【5 】：宇宙线粒子在星际间运动的磁流体碰撞过程中，经过多次散射得到加速。 超新星爆发时，星际间极稀薄的电离气体以高达3 0 公里，j 、时的速度运动，产生 强度约为1 0 七高斯的非均匀磁场，带电粒子在该磁场内来回碰撞运动，其碰撞几 率与它们的相对速度成正比，当粒子运动方向与磁场运动方向相同时，粒子能量 减少；当粒子运动方向与磁场运动方向相反时，粒子能量增加。由于带电粒子与 运动磁场反向运动的几率大于同向运动的几率，所以，在不断的碰撞过程中，粒 山东大学博士学位论文 予能量不断增加。平均来说，每次碰撞粒子能量的净增率为： a e e ( v c ) 2 其中c 为光速，v 为宇宙线粒子的运动速度。这是二级费米加速机制。如果超新 星爆发产生强激波，在强激波作用下，沿激波传播方向上的磁场流动速度远大于 逆激波传播方向上的磁场流动速度，带电粒子与磁场的相对碰撞几乎是相向( 对 头) 的，所以每次碰撞后粒子能量都是净增，平均每次相向碰撞中宇宙线粒子能 量的净增率为： e e v c 这被称为一级费米加速机制。 因为v c ，所以，一级费米加速机制比二级费米加速机制更有效。利用 费米加速机制成功自然地导出了宇宙线粒子负幂能谱d n d e o c e 4 ，在强激波情况 下，o t 2 6 1 ，但粒子被加速可获最大能量取决于激波的寿命。在对壳型超新星遗 迹s n l 0 0 6 的x 射线观测中，发现并证实电子能被加速到1 0 1 3 e v 的能量f 7 1 ，但 对于这种加速机制能量的最大上限估计为z d ”e v1 8 , 9 。更大能量的加速机制 应寻求其他方式。 ( 2 ) p u l s a r 模型 实心型超新星遗迹是外部呈团状而中心有一棵脉冲星( p u l s a r ) ，通常认为， 脉冲星是超新星爆发时形成的高速旋转的中予星，它们是射电波段( 主要在米波 波段) 的辐射源( 1 0 】。多数中子星存有1 0 1 2g a u s s 的强磁场】，当角动量与磁场 极轴方向不一致时，该旋转磁场就能诱导产生强电场，其周围极化产生等离子体 0 2 。等离子体在强磁场作用下沿磁力线运动并在中子星的光柱内高速旋转。理 论学家指出，在脉冲星中存在零电荷的真空间隙( g a p ) ，加速的带电粒子通过 曲率辐射，或逆c o m p t o n 散射，或同步辐射等过程产生高能y 光子。 0 ) a g n 模型 天文学界普遍认为，银河系内恒星所发射的粒子只占银河系宇宙线的一小部 分，银河系宇宙线应来源于比恒星活动更剧烈得多的爆发过程。能量高于1 0 ”c v 的高能宇宙线粒子来源于河外发射体7 1 。c g r o 卫星搭载的e g r e t 探测器观测 到的5 4 个活动星系核，都在大部分波段发射非热辐射，辐射强度大，能谱硬， 4 山东大学博士学位论文 光度变化大，且有一个辐射喷注存在。所以，理论学家提出了质量为1 0 7 1 0 1 0 m 。 的巨型黑洞的吸积喷注模型。其基本物理绘景是：黑洞的吸积势能沿黑洞的角动 量轴的两个方向上产生等离子体喷柱，喷柱的l o r e n t z 因子很大，喷柱产生的辐 射沿其轴定向发射。由于银河系的体积和磁场有限，不能有效地束缚1 0 ”e v 以上 能量的宇宙线粒子。如此高能量的光子喷柱以后，辐射场的密度降低，v 辐射和 背景光子对产生的光学深度大大减小“”。从类星体3 c 2 7 9 推算出的光学深度与喷 柱定向发射假设所得结果一致。”1 。据喷柱中等离子体粒子的不同，该模型又分 为轻予型喷柱模型和强子型喷柱模型。 以电子为主的轻子型喷柱模型是通过高能电子与其周围低能的辐射场光子 问的逆c o m p t o n 散射产生高能y 射线的“：以质子为主的强子型喷柱模型产 生高能y 射线的途径是：相对论质子与辐射场光子作用产生石。，玎。衰变产生y 射线而引发电磁级联“1 。 以上各种模型能够解释多种不同的天文现象，对人类认识和进一步探索各种 天文学问题都非常重要。对来自宇宙的高能y 射线的探测实验对以上各种模型的 建立起到了重要推动作用；同时，对高能y 射线的进2 步探测研究，可更进一步 完善以上各种模型，或为更好地解释各种天文现象提出更恰当的模型。 1 1 3 宇宙线粒子的传播 人们通过多年对宇宙线粒子的传播了解和实验研究，对它们在地球周围的大 气中的传播有相对较清楚的理解。 宇宙线粒子主要包括y 光子、正负电子、质子与其它带电粒子和原子核等， 其中9 9 以上是质子和各种原子核。它们产生后，经过星际问的磁场、电场调制 作用，带电粒子的传播方向会发生变化，而中性粒子v 光子的传播方向不变。 最后，经过太阳系传播进入地球大气层并与大气相互作用。地球的大气层对可见 光产生扰动和衰减，会对y 射线、x 射线、紫外线等产生强烈的吸收，如地球的 整个大气层对y 射线的吸收相当于1 m 厚的铅扳啪1 但是，地琏大气层对于高能y 天文和宇宙线物理实验却是一种天然的靶材料和能量沉积物质，因为，高能宇宙 山东大学博士学位论文 线粒子在大气内传播的过程中会发生广延大气簇射( e x t e n s i v ea i rs h o w e r ，简 称e a s ) ，产生大量的次级粒子。广延大气簇射( e a s ) 包括电磁级联簇射和强子 级联簇射。 ( 1 ) 电磁级联簇射 高能入射光子在介质中通过对产生过程产生正负电子对，正负电子又在介质 中引起韧致辐射，产生新的r 光子，y 光子再通过对产生过程产生新的正负电子 对，这种高能电子和光子在介质中产生的电子一光子簇射，称为电磁级联簇 射。随着簇射穿入介质深度的增加，簇射粒子( 即次级电子和光子) 的总数迅速 增加，而次级簇射粒子的平均能量降低，当电子和光子的能量降到不足以再产生 新粒子时，簇射达到最大。之后，电子通过电离损失能量，光子通过光子一电子 散射消耗能量，簇射衰减，次级粒子数减少，直到被介质吸收。不同能量的初级 y 射线在大气中的纵向发展曲线如图1 1 所示。 1 0 9 1 0 8 1 0 7 1 0 6 1 0 5 1 0 4 1 0 3 1 0 2 1 0 1 a t r u o e p b e r i ed e p t h ( r 1 ) 图1 1不同能量的初级y 射线在大气中的纵向发展曲线 ( 2 ) 强子级联簇射一 而高能强子进天弈疑耐，与介质中的原子核发生一系列的非弹性强相互作 用，产生若干次级强子，次级强子又与介质中的原子核发生一系列的非弹性强相 j 6 舡ziim#o皿 山东大学博士学位论文 互作用，产生若干新的次级强子，这一过程称为强子簇射。强子簇射的次级粒子 主要有核子、“介子、k 介子和超子等。低能的荷电n 介子和k 介子都会衰变成 u 子和中微子： 疗+ 啼+ + v 。， k _ + v 。 k 一 “一+ vh u 子通过电离损失能量，中微子几乎不与介质发生任何作用而直接通过介 质。能量大于1 0 g e v 的次级j l ：介子可继续与介质中的原子核发生非弹性强相互 作用。强子一原子核非弹性强相互作用产生的中性l r 。介子寿命只有8 3 x 1 0 。7 秒， 会立即衰变成一对光子： 7 。_ y + y 强子簇射在介质中的发展过程与电磁簇射在介质中的发展过程相似。 广延大气簇射是高能宇宙线粒子与空气中的原子核相互作用产生的，一般同 时含有强子簇射和电磁级联簇射。广延大气簇射的研究主要集中在两方面，一是 利用超高能宇宙线粒子与空气中的原子核相互作用进行高能粒子物理研究，一是 利用广延大气簇射对初级宇宙线粒子进行间接的观测，根据初级宇宙线粒子提供 的有关其产生源的信息，进行有关天文学和天体粒子物理方面的研究。利用广延 大气簇射可以探测的初级宇宙线粒子的能量范围从1 0 ”e v 直到3 x1 0 2 0 e v 以上， 而这个能量范围的粒子是利用位于大气层外的探测器所无法研究的，所以，利用 广延大气簇射效应的地面实验在y 天文和宇宙线的研究领域具有重要的地位。一 般地面阵列实验，如中日羊八井a sy 实验、正在建造试运行的中意a r g o 实验等， 均为通过探测研究高能宇宙线粒子在地球大气中引起的广延大气簇射的次级粒 子而间接探求研究高能宇宙线原初粒子的产生、传播等机制的实验。 山东大学博士学位论文 1 2 y 射线天文学实验 正如前一节所述，通过世界各国数代科学家的共同努力，人类对宇宙线只是 有了一定的了解，仍有诉：多根本性的问题需要更进步探究。高能宇宙线实验还 存在很多重大的研究课题，如字宙线成分尚无定论；宇宙线流强也只是给出了经 验公式，并没有确定的计算式子；宇宙线粒子的产生、加速和传播机制也需要进 一步研究清楚等。到目前，世界上科研工作者已通过各种不同的实验得到了许多 有益经验和正确的结果。这里就对y 射线天文学实验作一下简单回顾。 y 射线天文学是通过观测来自地球外部宇宙空间的y 射线来研究高能天体 的位置、星际间物质的分布、天体的状态以及宇宙线粒子之间或它们与星际间物 质的相互作用过程。对于确定高能天体的位置即寻找高能射线源，y 射线天文学 是可行而有效的方法。因为来自宇宙空间的高能宇宙线粒子，大多数是带电粒子 或原子核( 质子、t 2 粒子、少量其它各种原子核、以及电子、中微子) ，另外是 光子( x 射线与，射线) 。对于低能( 小于1 0 1 7 e v ) 带电宇宙线粒子在传播通过 星际间过程中会受到星际磁场的调制而传播方向发生偏转较大，最后成为各向同 性；实验得到的能量高于1 0 1 8 e v 的宇宙线粒子虽然受到星际磁场的调制影响较 小，即其方向偏移不大，但如此高能量宇宙线粒子的统计量较少，又不足以用来 进行正确的实验分析。而y 射线是电中性的，传播过程中不受星际磁场的影响， 方向不发生变化。因此，人们通过实验探测来自宇宙空间的y 射线，进而寻找宇 宙中发射高能y 射线的点源。 当前，高能物理实验对y 射线的观测的能量范围是从1 0 6 e v 到1 0 2 0 e v ，这麽 宽的能量范围又分为高能区( h e ，1 0 6 e v - 1 0 1 0 e v ) 、甚高能区 ( v h e ，1 0 1 0 e v 1 0 1 4 e v ) 、超高能区( u h e ，1 0 1 4 e v 1 0 1 7 e v ) 和极高能区( e h e ， 1 0 ”e v 1 0 2 0 e v ) 等不同观测能区。研究得到，宇宙线粒子的流强随能量的变化遵 循负幂规律，即 ， i = i 。e 。或兰l = c e 3 de 其中，为积分流的宇宙线，其流强也不同。粒子的能量大，流强反而小。由于芷 大体在2 3 的范围( y 光子的积分能谱指数r 约为2 ) ，所以，随着宇宙线粒子能 量e 的增大，其流强，减小很快。同时，宇宙线粒子的能谱存在着“膝区”和“踝 山东大学博士学位论文 区”等复杂结构( 如图1 2 所示) ，对于不同能量的宇宙线，由于其流强等的不 同特点，对应采用的实验观测方法也不同。 根据观测实验中所采用的实验仪器在空间的分布的不同，y 射线天文学实 验可分为高空卫星实验和地面实验，以下将对它们的实验情况及其成果分别作简 单介绍。 1 2 1 卫星实验 e e 、u d e 图1 2 宇宙线粒子的总能谱 对予m e v 至g e v 较低能区的y 射线，由于流强比较强，可通过卫星携带的探 测器或高空气球携带的探测器对其进行直接测量。”州。因为高空探测可以减少地 球大气对y 光予的吸收和衰减。早在1 9 4 8 年有人开始宇宙v 射线探测的探讨， 但都未获得成功。1 9 5 8 年莫森( r m o r r i s o n ) 2 5 1 从理论上预言了存在发射1 0 6 e v 的y 射线的天体，提出了y 射线天文学的概念，推动了宇宙y 射线的探测和研究。 6 0 年代，月球轨道卫星e x p l o r e r 一2 、e x p l o r e r 一4 实验，表明宇宙r 射线背景辐 射的存在。但由于当时探测器的分辨率较低，未能探测到r 射线点源，只是给出 了银盘附近弥漫y 射线的积分流强。7 0 年代到8 0 年代间，o s