（粒子物理与原子核物理专业论文）argo实验中“膝”区原初宇宙线成分分辨方法研究.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：望趁毖逛 日 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件 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) 论文作者签名弋丝壹丝导师签名：世丝 日期：堡鲨! 兰：么多 山东大学博士学位论文 摘要 宇宙线( 来自宇宙空间的质子和原子核) 的能谱遵循负幂律：a ；v a e o ce r ， 但在能量约为4p e v 附近，宇宙线的全粒子能谱有明显的拐折，幂指数由芦2 7 变为1 ，一3 1 ，形成所谓的“膝一结构，对应的能区称为“膝”区。虽然实验上已 经观测到这一结构，但是它的成因还不能确定。为解释宇宙线能谱的这一特殊 结构，人们提出了多个理论模型。某些模型认为，“膝 结构起因于宇宙线的加 速和传播过程，是宇宙线能谱的内禀特性；而另外一些模型认为，在超高能下 新的强相互作用机制的出现导致了“膝一区的形成。大多数的理论模型可很好 地解释实验所观测到的宇宙线全粒子能谱，但所预言的“膝区宇宙线各个分 成分的能谱却存在着很大的差异。因此在实验上精确测量“膝 区原初宇宙线 的分成分能谱对于了解甚高能宇宙线的起源、加速和传播机制具有重要的意义。 由于宇宙线流强随能量急剧下降，超高能的宇宙线粒子已经不能通过高空 气球实验或卫星实验来进行直接观测，只能利用位于地面的探测器阵列通过广 延空气簇射( e x t e n s i v ea i rs h o v e r ，e a s ) 过程进行间接的测量。如何有效地区 分由不同的原初宇宙线粒子所引起的空气簇射是利用地面实验进行“膝一区物 理研究的关键。这一方面要求探测器阵列本身能够提供尽可能多的有关e a s 的 实验信息，另一方面需要在数据分析过程中采用有效的分辨由各种原初粒子所 引起的空气簇射的方法。 中意合作a r g o - y b j 实验是位于我国西藏羊八井宇宙线观测站( 大气深度 6 0 6 9 c m 2 ，海拔高度4 3 0 0 m ) 的广延大气簇射地面探测实验，该实验采用了由阻 性板计数器( r e s i s t i v ep l a t ec h a m b e r ，r p c ) 所组成的“地毯式 探测器阵 列，具有高的覆盖率( 9 0 以上) 和很好的时间、空间分辨率的特性，可以对到 达阵列的e a s 粒子的时间和空间分布进行较为细致的测量，探测器信号的模拟 读出使得阵列的观测能区可以涵盖“膝”区；另外a r g o - y b j 实验阵列处于由“膝 区原初宇宙线粒子所引起的空气簇射的纵向发展极大区域，簇射大小的涨落小 且几乎与原初粒子的种类无关，利用该实验的观测信息可以较精确地测量原初 粒子的能量。这些特点使得a r g o - y b j 实验在分辨“膝 区原初粒子种类和重 建原初粒子能量上具有优势，如果再配以有效的数据分析方法，有望得到较精 5 山东大学博士学位论文 确的“膝”区原初粒子的分成分能谱，进而为解决“膝一区物理问题提供可靠 的实验数据。本文的目的就是针对a r g o - y b j 实验阵列的特点，利用m o n t ec a r l o 模拟数据寻找可有效地区分由不同的原初粒子所引起的空气簇射的方法，并研 究测量“膝 区原初粒子分成分能谱的可行性。 在本工作中，首先利用c o r s i k a 程序进行了e a s 模拟。为了估计强相互作 用模型对分辨结果的影响，在e a s 数据模拟中选用了两种最具代表性且与实验 结果符合较好的强相互作用模型：q g s j e t - i i 和s i b y l l 。利用这两种强相互作 用模型，细致地模拟了能量在i o o t e v - i o p e v 之间的不同原初宇宙线粒子( 质子， h e 核，c n o 核，m g s i 核，铁核) 所引起的e a s 过程。利用以g e a n t 3 为基础的 探测器模拟程序模拟了e a s 次级粒子在a r g o 探测器中的传输过程和探测器的响 应，获得了具有足够统计量的m o n t ec a r l o 模拟数据。 利用这些模拟数据分析了由不同的原初粒子所引起的簇射中次级粒子的时 间、空间分布特征，得到了平均横向分布宽度 、8 0 半径p - m 、芯位区域与 r m 区域粒子密度之比r a t i o 舳、簇射前锋面斜率s f m m 等几个可以描述不同簇射 的次级粒子时间一空间分布的差异的特征量。将这些特征量作为人工神经网络的 输入量，进行了多参数分析。训练所得的神经网络可以对原初质子成分做出有 效识别。为了研究不同强相互作用模型对网络分辨效率的影响，分别利用两种 强相互作用模型数据训练、测试了神经网络，并进行了交叉检验( 利用一种模 型数据训练所得的神经网络对另一种模型的数据进行分辨) 。结果表明：人工神 经网络挑选效果对强相互作用模型的依赖性较弱，在保存约4 0 质子事例的情 况下可以排除约9 4 的其他强子事例。利用所挑选出来的质子事例，对“膝” 区质子的能谱进行了重建，所得结果与模拟中实际使用的能谱可以很好地符合。 另外，本工作还使用了多尺度分析方法研究了区分“膝”区原初铁核的可 行性。对在探测平面上的簇射次级粒子的分布进行多重分形分析和小波变换分 析，得到了两个表征簇射次级粒子靶图分形特性的特征量：多重分形矩指数和 小波变换矩指数。分别取它们在q = 4 ，6 ，8 时的值作为人工神经网络的输入值， 得到了可以有效分辨“膝 区原初铁核成分的人工神经网络。将数据按击中数 分段分别进行了多参数分析，分辨结果表明，所得人工神经网络对次级带电粒 子数 2 0 0 0 0 的事例分辨效果最好，对铁核事例的判选率为5 6 4 ，对其他强子 6 山东大学博士学位论文 事例的排除率为9 8 3 ，品质因子可达到4 3 6 。 综上，通过对a r g o - - y b j 实验条件的细致模拟和对簇射事例的仔细分析，本 工作得到了可以用来区分原初粒子种类的特征量。结合人工神经网络进行了多 参量分析，并检验了人工神经网络对强相互作用模型的依赖性。结果表明，所 得的人工神经网络的分辨效果对强相互作用模型的依赖性较弱，可对“膝 区 各原初成分引起广延大气簇射事例做出有效分辨，从而重建出“膝 区质子能 谱。同时，本工作还研究了应用多尺度分析方法区分“膝”区原初铁核的可行 性，得到了表征簇射次级粒子靶图分形特性的特征量，并结合人工神经网络方 法进行了多参数分析。结果表明此网络可有效分辨“膝一区铁核成分。 关键词：“膝”区宇宙线；原初成分分辨；人工神经网络；多尺度分析 7 山东大学博士学位论文 a b s t r a c t t h ee n e r g ys p e c t r u mo fc o s m i cr a y s ( p r o t o na n dn u c l c if t o mt h eu n i v e r s e ) f o l l o w san e g a t i v ep o w e rl a w ：d n d e e 7 ，b u tt h ea 1 1 p a r t i c l ee n e r g ys p e c t r u mo f c o s m i cr a y ss h o w sad i s t i n c t i v ef e a t u r ea r o u n d4p e v , w h e r et h es p e c t r a li n d e xo ft h e p o w e r - l a wc h a n g e sf i o m - 2 7t oa p p r o x i m a t e l y - 3 1 t h i sf e a t u r ei sc o m m o n l y c a l l e d t h et h e 锄卯：a n dt h ec o r r e s p o n d i n ge n e r g yr e g i o ni sc a l l e dt h ef k n e e r e g i o n e x i s t e n c eo ft h i sf e a t u r eh a sb e e nw e l le s t a b l i s h e de x p e r i m e n t a l l y , b u tt h e r es t i l l r e m a i nc o n t r o v e r s i a la r g u m e n t so ni t so r i g i n t o e x p l a i nt h i sf e a t u r e ，s e v e r a l m e c h a n i s m sh a v e b e e np r o p o s e d i ns o m eo ft h e s et h e o r e t i c a lm o d e l s ，i ti sb e l i e v e d t h a tt h ek n e ei sa ni n t r i n s i cp r o p e r t yo ft h ee n e r g ys p e c t r u m , r e l a t e dt ot h e a c c e l e r a t i o na n dp r o p a g a t i o no ft h ec o s m i cr a y w h i l ei no t h e rm o d e l s ，t h ek n e ei s e x p l a i n e da sa n e wt y p eo fi n t e r a c t i o na tv e r y h i g he r l e r g y m o s to ft h e s em o d e l sc a n d e s c r i b et h eo b s v e r e da l l p a r t i c l ee n e r g ys p e c t r u mv e r yw e l l ，b u tt h ep r e d i c t i o n so f t h ei n d i v i d u a le l e m e n ts p e c t r ai ns o m em o d l e sa r eq u i t ed i f f e r e n t s ot h ep r e c i s e m e a s u r e m e n t so ft h ei n d i v i d u a le l e m e n ts p e c t r aa tt h ek n e ee n e r g yr e g i o na r e i m p o r t a n tf o ru n d e r s t a n d i n gt h eo r i g i n , a c c e l e r a t i o na n dp r o p a g a t i o no ft h ec o s m i c s i n c et h ef l u xo ft h ec o s m i cr a y sd e c r e a s e sr a p i d l yw i t he n e r g ya c c o r d i n gt oa n e g a t i v ep o w e rl a w , t h ec o s m i cr a yp a r t i c l e sw i t hv e r yh i g he n e r g y ( v h e ) c a n tb e d i r e c t l yd e t e c t e db yb a l l o o n a n ds a t e l l i t e b o r n ed e t e c t o r s t h e s ev h ep a r t i c l e sc a n o n l yb ei n d i r e c t l yd e t e c t e db yt h eg r o u n d b a s e dd e t e c t o ra r r a y s ，w h i c hc a nr e c o r dt h e s e c o n d a r yp a r t i c l e si nt h ee x t e n s i v ea i rs h o w e r ( e a s ) i n d u c e db yt h e m t h ek e y p o i n ti nt h es t u d yo f t h ep h y s i c sa tt h ek n e er e g i o ni nt h eg r o u db a s e de x p e r i m e n t si s t oe f f i c i e n t l yi d e n t i f yt h ee a s si n d u c e db yd i f f e r e n tp r i m a r yp a r t i c l e s t oa c h i e v e t h i sa i m ，i t r e q u i r e st h a tt h ed e t e c t o ra r r a yc a n r e c o r d ss u f f i c i e n ti n f o r m a t i o no fe a s ， a n da ne f f e c t i v em e t h o dt od i s c r i m i n a t ep r i m a r yc o s m i cr a y si sn e e d e d t h ea r g o - y b je x p e r i m e n t ，ac o l l a b o r a t i o nb e t w e e nc h a i n e s ea n di n t a l i a n i n s t i t u t i o n s ，i sag r o u d b a s e de a sd e t e c t o ra r r a y , l o c a t e da tt h ey a n g b a j i n gc o s m i c 9 山东大学博士学位论文 r a yo b s e r v a t o r y ( a t m o s p h e r i cd e t p t h ：6 0 6g c m 2 ，4 3 0 0 ma s 1 ) i nt i b e t 皿r c h i n a ) t h i se x p e r i m e n tu t l i z eaf u l lc o v e r a g ed e t e a o ra r r a yc o n s i s t i n go fr e s i s t i v ep l a t e c h a m b e r s ( r p c ) t h eh i g hc o v e r a g e ( a b o v e9 0 ) ，g o o dt i m er e s o l u t i o na n df i n e s p a c eg r a n u l a r i t ym a k e si ta b l et om e a s u r et h et i m ea n dl a t e r a ld i s t r i b u t i o n so f t h e s e c o n d a r yp a r t i c l e si nae a sw i t hs u f f i c i e n tp r e c i s i o n w i t ht h ea n a l o gr e a d - o u to f t h er p c sc h a r g e ，t h ea r r a yc a nm e a s u r et h ec o s m i cr a y sw i t he n e r g i e su pt ot h ek n e e r e g i o n i na d d i t i o n , a tt h eo b s e r v a t i o nl e v e lo f t h i se x p e r i m e n t , t h ee a si n d u c e db y c o s m i cr a yp a r t i c l e sw i t he n e r g i e sa t k n e e r e g i o nr e a c ham a x i m u md e v e l o p m e n t , i r r e s p e c t i v eo ft h ep r i m a r ym a s s ，s ot h a tt h es h o w e rs i z ei sl e s sf l u c t u a t e da n dt h e e n e r g yd e t e r m i n a t i o n i sm o l ep r e c i s ea n dl e s s d e p e n d e n tu p o nt h e u n k n o w n c o m p o s i t i o n t h e s ea d v a n t a g e s ，t o g e t h e rw i t ha r t e f f e c t i v ed a t aa n a l y s i sm e t h o d , m a k ei tp o s s i b l et og e ti n d i v i d u a le l e m e n ts p e c t r u mi nt h e “k n ”r e g i o n t h e s e e x p e r i m e n t a li n f o r m a t i o nc o u l db eh e l p f u lf o rt h es t u d yo ft h eo r i g i no f “h l e e ，i i l t h i sw o r kw et r yt of i n dam e t h o df o ri d e n t i f y i n gt h ep r i m a r yc o s m i cr a yp a r t i c l e s w i t he n e r g i e sa tt h e k n e e r e g i o nb yu s i n gm o n t ec a r l og e n e r a t e dd a t a , a n ds t u d y t h ef e a s i b i l i t yo fm e a s u r i n gt h ei n d i v i d u a l ee l e m e n ts p e c t r ai nt h e k n e e r e g i o n t h ee a s si n d u c e db yd i f f e r e n tp r i m a r yp a r t i c l e sa r es i m u l a t e du s i n gc o r s i k a p r o g r a m i no r d e rt oe s t i m a t et h ei n f l u e n c eo fh a d r o n i ci n t e r a c t i o nm o d e l so nt h e i d e n t i f i c a t i o nr e s u l t s ，w ec h o s et w oi n t e r a c t i o nm o d e l sf o rt h em o n t ec a r l o s i m u l a t i o n ：q g s j e t - i ia n ds i b y l l ，w h i c ha r er e p r e s e n t a t i v e a n dh a v eg o o d a 伊e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s w eh a v ei n i t i a t e dt h ee a s w i t hh i g he n e r g y p r o t o n s ，h e l i u m ，c n on u c l e i ，m g - s in u c l e ia n di r o nn u c l e iw i t he n e r g i e sr a n g i n g f r o m10 0 t e vt o10 p e v t h et r a n s p o r t a t i o no ft h ee a sp a r t i c l e si na r g od e t e c t o r a n dt h ed e t e c t o rr e s p o n s ea r es i m u l a t e di n d e t a i lw i t had e t e c t o rs i m u l a t i o np r o g r a m b a s e do ng e a n t 3 m o n t ec a r l oe v e n t sw i t hs u f f i c i e n ts t a t i s t i c sa r et h u so b t a i n e d a f t e re x a m i n i n gt h es p a c e - t i m ei n f o r m a t i o no ft h ee a si n d u c e db yd i f f e r e n t p r i m a r i e sb yu s i n gt h es e l e c t e dm o n t ec a r l oe v e n t s ，w ef o u n dt h a tf o l l o w i n g5 p a r a m e t e r sc a nb eu s e dt o c h a r a c t e r i z et h ed i f f e r e n c eb e t w e e np r o t o na n do t h e r n u c l e ii n d u c e ds h o w e r s ：n h i b ， ，r s 0 ，懿d m ，r a t i o s o w i t ht h e s ep a r a m e t e r sa s i n p u t st oa na r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ( a n n ) ，am u l t i p a r a m e t e ra n a l y s i si sp e r f o r m e d 山东大学博士学位论文 t oc h e c kt 1 1 ei n f l u e n c eo fh a d r o n i ci n t e r a c t i o nm o d e l s ，t w oa n ni st r a i n e da n d t e s t e d b yq g s j e t - i i d a t aa n ds i b y l ld a t a r e s p e c t i v e l y , a n da l s ot h e g l o s s - e x a m i n a t i o ni sd o n e ( t e s tt h eq g s j e t - i ia n nw i t hs i b y l ld a t aa n dv i c e v e r s a ) 。n 圮d e p e n d e n c eo nh a d r o n i ci n t e r a c t i o nm o d e l si sv e r yw e a k , a n dp r i m a r y p r o t o ne v e n t sc a l lb ei d e n t i f i e de f f e c t i v e l yf r o mo t h e re v e n t sb yu s eo fa n n m e t h o d t h ea n nc a l lp i c ko u ta b o u t4 0 p r o t o ne v e n t sa n dt h er e j c c t i o nr a t i of o ro t h e r n u c l e ii sa b o u t9 4 u s i n gt h es e l e c t e dp r o t o ne v e n t s ，t h ee n e r g ys p e c t r u mo f p r o t o n i nt h ek n e er e g i o ni sr e c o n s t r u c t e d t h er e c o n s t r u c t e dr e s u l ti si ng o o da g r e e m e n t w i t ht h ea s s u m e ds p e c t r u mi nt h es i m u l a t i o n m e a n w h i l e ，m u l t i s c a l ea n a l y s i sm e t h o di su s e dt os t u d yt h ef e a s i b i l i t yo f i d e n t i f y i n gt h ep r i m a r yi r o nn u c l e u sw i t he n e r g i e sa tt h ek n e er e g i o n a f t e rt h e m u l t i - f r a c t a l a n a l y s i s a n dw a v e l e tt r a n s f o r m a t i o na n a l y s i sa r ea p p l i e dt ot h e d i s t r i b u t i o no ft h es e c o n d a r yp a r t i c l e so nt h ed e t e c t i n gs u r f a c e ，t w oc h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r sa r eg o t ：t h ee x p o n e n t so fm u l t i - s c a l em o m e n ta n dw a v e l e tt r a n s f o r m m o m e n t u s i n gt h ee x p o n e n t sa tt h eo r d e rqe q u a lt o4 ，6 ，8a st h ei n p u t s ，a na r t i f i c i a l n e u r a ln e t w o r kt h a tc a nb eu s e dt oi d e n t i f yt h ec o m p o n e n to fp r i m a r yi r o ni s c o n s t r u c t e da n dt r a i n e da n dt e s t e du s i n gm o n t ec a r l od a t as a m p l e n ed a t as a m p l e i sd i v i d e di n t og r o u p sa c c o r d i n gt od i f f e r e n th i t sn u m b e r , a n dm u l t i p a r a m e t e r a n a l y s i si sa p p l i e dt oe a c hg r o u p 1 1 1 eb e s tr e s u l ti sg o t t e ni nt h eg r o u pw i t hh i t n u m b e rg r e a t e rt h a n2 0 0 0 0 ，i tc a np i c ko u ta b o u t5 6 4 i r o ne v e n t sa n dt h er e j e c t i o n r a t i of o ro t h e rn u c l e ii sa b o u t9 8 3 ，t h eq u a l i t yf a c t o ri s4 3 6 i ns u m m a r y , b a s e do nm o n t ec a r l os i m u l a t i o no fa r g o - y b je x p e r i m e n t ，t h e s p a c e - t i m ei n f o r m a t i o no ft h ec h a r g e dp a r t i c l e si ne x t e n s i v ea i rs h o w e r si su s e dt o s t u d y t h ed i f f e r e n c eb e t w e e ns h o w e r si n d u c e db yd i f f e r e n t p r i m a r i e s m u l t i p a r a m e t e ra n a l y s i si sd o n eb yu s i n ga na n n m e t h o dw i t hs e v e r a lp a r a m e t e r s w h i c hc a ne f f i c i e n t l yp i c ko u tp r i m a r yp r o t o ni n d u c e ds h o w e r sa si n p u t s w i t hw e a k m o d e ld e p e n d e n c et h ea n nc a l le f f i c i e n t l yp i c ko u tt h ep r o t o ni n d u c e de v e n t sf r o m o t h e r s n ep r o t o ns p e c t r u mf r o m10 0t e vt 010p e vc a nb eo b t a i n e du s i n gt h e p r o t o ne v e n t ss e l e c t e db ya n n m e a n w h i l e ，m u l t i s c a l ea n a l y s i sm e t h o di su s e dt o s t u d yt h ef e a s i b i l i t yo fi d e n t i f y i n gt h ep r i m a r yi r o nn u c l e u sw i t he n e r g i e sa tt h ek n e e i l 山东大学博士学位论文 r e g i o n w i t l ls e v e r a lp a r a m e t e r sw h i c h c a nd e s c r i b et h ef r a c t a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h e e v e n ti m a g ea si n p u t s ，am u l t i p a r a m e t e ra n a l y s i si sd o n eb yu s i n g 心m e t h o d 1 1 1 er e s u l ts h o w st h a tt h i sa n nc o u l de f f i c i e n t l yd i s c r i m i n a t et h ep r i m a r yi r o n n u c l e u si n k n e e ”r e g i o n k e yw o r d s ： c o s m i cr a y si n k n e e r e g i o n ；d i s c r i m i n a t i o no fp r i m a r y c o m p o n e n t s ；a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ；m u l t i - s c a l ea n a l y s i s 1 2 山东大学博士学位论文 第一章引言 二十世纪初，在研究空气的导电性时，研究者们觉察到有某种未知的射线 不断地引起空气电离。1 9 1 l 1 9 1 2 年，奥地利物理学家黑斯( v f h e s s ) 用气 球载电离室上升至离地面五公里高度，发现气体的导电性随气球升高而显著增 加，证明这种射线不是从地面发出的，而是由地球外的空间射来的，故名宇宙 线【i 】。从宇宙线发现至今九十多年里，宇宙线物理取得了丰硕的成果，并推动 了其它相关领域如天体物理、空间科学等学科的发展，但宇宙线物理研究中的 几个基本问题一直没有定论：。宇宙线粒子是从哪里来的? 栉。超高能宇宙线粒 子是通过什么机制加速到如此高的能量的? 近几十年来，世界上多个 宇宙线观测实验都发现遵循负幂律( a x a e 芘e r ) 的宇宙线全粒子能谱在凡 p e v 的地方具有特殊的结构，幂指数f h - = - 2 7 变为y 怼- - - 3 1 ，形成所谓的“膝”结 构( 如图1 1 所示) ，此能区被称为“膝”区【2 】。宇宙线能谱的这一“膝”结构 与宇宙线的起源、加速和传播机制紧密相关，但由于缺乏足够的实验数据，到 目前为止，“膝”区的成因还是宇宙线物理研究中的未解之谜。 本章将简要介绍研究宇宙线膝区的意义，几种相关的理论模型以及两个主 要实验在此问题上的研究进展。 1 1矗膝区一物理的由来 1 9 5 8 年，莫斯科州立大学m s u ( m o s c o ws t 8 t eu n iv e r s it y ) 实验组通过观测 广延大气簇射中的电磁成份发现宇宙线的能谱在e o - - 3 x 1 0 1 5 e v 能区发生拐折f 3 1 ， 首次提出了宇宙线能谱的“膝 结构。此后，很多实验组针对广延大气簇射中 其他成分( 如电磁成分，u 子成分，强子成分，还有切伦科夫辐射) 的观测中 证实了这一结构的存在。 经过5 0 余年的广延大气簇射实验观测，越来越多的实验都验证了全粒子能谱 这一特殊结构，但是至今“膝 区( 即1 0 i s - l o l 6 e v ) 的成因仍然没有明确。由于 “膝”区宇宙线粒子流强太低，已经不能用气球和卫星实验来进行直接观测，而 山东大学博士学位论文 只能通过观测宇宙线原初粒子与地球大气层相互作用形成的广延大气簇射( e a s ) 来实现对“膝 区宇宙线粒子的间接观测( 如图1 1 所示【4 j ) 。多个地面空气簇射 实验对宇宙线的全粒子谱和平均质量数进行了测量，获得了较为一致的测量结 果，但由于数据统计量和原初粒子分辨能力的限制，对“膝”区宇宙线分成分能 谱的测量还没有取得一致的结果。所以，当宇宙线的能量接近“膝 区时，可利 用的实验信息就是宇宙线全粒子能谱以及宇宙线粒子的平均质量数随能量的变 化。 理论工作者提出了多种不同的模型，试图解释“膝”区宇宙线的特性，并且 与适当的相互作用模型结合来解释“膝 区宇宙线实验的某些实验结果。但是， 这些模型只能解释宇宙线全粒子能谱的结构，对“膝”区原初宇宙线粒子的组成 的预言存在较大分歧。到目前为止，间接测量的结果还不能足以鉴别哪个理论模 型是正确的，这使得“膝 区的成因至今还是个未解之谜。对宇宙线能谱“膝一 结构的研究现已发展成为宇宙线物理中的一个热点课题“膝 区物理。 1 4 图1 1 宇宙线全粒子能谱 l o g ( e n e r g ye v ) 一rk；乙ren-z)|，ol 山东大学博士学位论文 1 2 “膝刀区成因的理论模型 有关“膝”区的成因的理论模型主要分为以下四类： 1 ) 源于宇宙线的加速机制 这类模型认为，宇宙线能谱的“膝”结构起因于超高能宇宙线的加速机制。 这类模型的典型代表是超新星遗迹( s n r s ) 的冲击加速理论，该理论认为超新星爆 发的抛射物扫起星际介质向外扩展时，会驱动一个激波，使星际介质中的粒子受 到加速。但是，一般认为s n r s 的冲击加速有一个自然的上限，约为z x l 0 1 4 剐5 1 ， 这与加速的时间长短和获得的能量多少有关。较大的超新星爆发可将重核加速到 更高能量，但粒子的能量不可能超过1 0 1 5 e v 6 1 实验表明，高于1 0 1 6 e v ，能谱明显 变陡，但一直延续到更高的能区，例如l 俨剐7 】因此，在大于1 0 1 5 c v 能区，其它 的加速机制将起作用【引，极高能( 1 0 1 8 e v ) 宇宙线可能是起源于河外星系。 超新星遗迹加速理论预言，宇宙线的组成在“膝”区将会发生急剧变化。因 为宇宙线粒子所能获得的最高能量正比于原初粒子的电荷，所以在“膝 区质子 的能谱将首先开始变陡，然后是轻核，最后是重核。按照这一加速加速机制，“膝” 区宇宙线成分随能量增加将会以重核为主。 2 ) 源于宇宙线的传播过程 这类模型认为，宇宙线能谱的“膝结构是由于宇宙线粒子向银河系外的泄 漏造成的。根据宇宙线传播的“漏箱”模型，带电宇宙线粒子在银河磁场的约束 下，在银河系内作回旋运动，电荷为z ；的宇宙线粒子回旋运动的l a r m o r 半径为： r ：里堕沏) ( 1 1 ) z j 。3 h 其中p 为宇宙线粒子的动量( e v c ) ，h 为银河磁场的平均强度( t ) 。由于轻核的 电荷数z 小，所以相同能量，轻核的l a r m o r 半径较大。随着能量的上升，质子的 l a r m o r 半径将首先超过银盘的半径，从而摆脱银河磁场的约束而发生质子流自银 河系的泄漏，使质子能谱在能量e 。处发生拐折，其它原子核的能谱也相继在z e c 能量处发生拐折。因此，随能量的增加，原初宇宙线中的重核成分将会增加，平 均质量将会变重【9 1 。 3 ) 源于宇宙线与星际背景辐射的相互作用 山东大学博士学位论文 此类模型认为宇宙线能谱的“膝”结构是由宇宙线与星际背景辐射之间的 相互作用引起的。宇宙线粒子在传播过程中，与星际背景辐射( 光子、中微子) 发生相互作用，导致宇宙线中的原子核分解( d i s i n t e g r a t i o n ) ，再加上宇宙线 粒子向银河系外的泄漏，形成能谱的“膝”结构。 该类模型预言：在“膝 区，宇宙线的重核成分将减少，平均质量数随能量 增高而减小。 4 ) 源于强子相互作用机制 这类模型认为：“膝一结构的成因与宇宙线的加速和传播机制无关，而是由 于在e a s 的发展过程出现了新的强相互作用。当入射粒子的能量超过某一阈值 时，便会触发某种新的强相互作用过程。产生于新的强相互作用过程的粒子是 探测器阵列无法探测的。由于一部分能量将被这些观测不到的粒子带走，由阵 列所观测到的能量要比入射的原初粒子的能量小，从而导致高能端粒子数减少， 形成能谱的“膝 结构。这些新强相互作用机制可能产生的新粒子有：重力子 【，超对称粒子或者是人工色强子( t e c h n i c o l o rh a d r o n ) il l 。 由于产生新的强相互作用过程需要一定的能量阈值，因而这类模型预言： 在“膝”区，宇宙线的能谱将发生突变。 大多数的理论模型都可给出相似的宇宙线全粒子谱，但它们对宇宙线分成 分能谱的预言却有很大的差异，需要利用精确的关于“膝”区宇宙线能谱和成 分组成的实验结果来对这些理论模型进行筛选和检验。 1 3 “膝一区物理实验研究现状 实验上观测到的宇宙线粒子的能量从1 0 5 e v 1 0 2 0 “跨越十几个量级，其流 强按能量的负幂律变化，随着能量的升高，宇宙线粒子的流强下降很快。因而 对不同能区的宇宙线粒子的观测需采用不同的实验手段( 如图1 2 所示【1 2 】) 。 对于m e v 到g e v 能区的宇宙线，由于其流强较强，因而可以采用人造卫 星或高空气球搭载的探测器【1 3 】对其进行直接测量，以减少或避开大气层对它们 的吸收。对于能量大于3 0 g e v 以上能区的宇宙线，由于其流强较低，而星载探 测器受到卫星载荷的限制，面积不能做得太大，因而难以达到有统计意义的事 1 6 山东大学博士学位论文 例量。所以对其一般采用建在地面上的大口径契仑科夫( c h e 佗n k o v ) 望远镜或 空气簇射阵列进行间接观测。当高能宇宙线进入大气层时，与大气发生核作用， 形成电磁级联和强子级联簇射，在级联簇射过程中会产生成千上万甚至数以百 万计的次级粒子，这些粒子中通