基于羊八井ASγ实验研究宇宙线能谱“尖锐膝”结构的成因

The study of energy spectrum , precise structure and chemical composition of cosmic rays can be key pieces of information for probing their origin, acceleration, and propagation mechanism. In order to measure the energy spectra and chemical composition of the "knee" energy region precisely, the Tibet ASγ Collaboration has upgraded the experimental equipment on a large scale. The newly updated Tibet ASγ hybrid experiment has become the most sensitive experiment for the study of cosmic-ray chemical composition at the "knee" energy region so far, and it has been running since March 2014. Based on the primary proton, helium ,and iron spectrum at 50 -10000 TeV energy region observed by the new Tibet ASγ hybrid experiment,this project will obtain the slope and knee position of each spectrum. We will give the answer whether their knee position depends on Z, or A or not . Considering the hardening structure of energy spectrum observed by AMS02 and CREAM, we will discuss the origin of "shap knee" whether it is caused by nearby source or nonlinear acceleration and make a leading and important contribution to the astrophysical origin of "knee" energy cosmic rays. Then we can calculate the production of antiproton and positron spectrum to study the relationship between "sharp knee" and positron excess.

宇宙线能谱、结构和成分的研究是探索宇宙线天体物理起源的重要手段之一。2014年西藏羊八井ASγ实验完成了重大升级并开始取数，是目前宇宙线业界对“膝”区宇宙线成分研究灵敏度最高的实验。本申请项目拟根据新升级的ASγ实验观测到的50-10000TeV原初宇宙线质子，氦，以及铁核的单成分能谱，并联系低能区AMS-02,CREAM等实验观测到的各单成分能谱，利用扩散激波加速理论和非线性扩散激波加速理论，探讨“尖锐膝”结构的成因，回答“膝”区鼓包是否由太阳系邻近的SNR源产生，以及“尖锐膝”结构是否由非线性加速机制造成等重要问题，将对探索“膝”区宇宙线天体物理起源做出重要贡献。同时，利用本项目得到的“膝”区宇宙线唯象模型，可进一步研究正电子“超出”与“尖锐膝”的自洽性，获得关于宇宙线源、传播环境及可能的暗物质信号的相关信息。

宇宙线全粒子能谱“膝”的这一特殊结构紧密联系于宇宙线的天体物理起源，加速，传播等基本问题。目前对宇宙线“膝”区物理的研究，主要通过‘宇宙线成分、能谱的精确测量’来实现。本项目基于新升级的ASγ实验观测到的50TeV-10^16eV原初宇宙线质子，氦和铁核的单成分能谱及其精细结构，并联系低能区AMS-02,DAMPE等实验观测到的各单成分能谱及其精细结构，利用扩散激波加速理论和非线性扩散激波加速理论，探讨“尖锐膝”结构的成因及宇宙线正电子“超出”与“尖锐膝”的自洽性。. 本项目在执行期间，完成了124台YAC探测器阵列的原始实验数据质量检查及原始实验数据重建工作以及探测器的逐台标定；完成了包含（YAC+Tibet-III+MD）的3种复合式探测设备的、大样本的、多种强子作用模型的计算机蒙特卡罗全模拟并为了进一步提高ASγ实验的灵敏度，深入挖掘各种数据分析算法，创新性地开发系列针对ASγ实验的新的灵敏特征参量。另外，基于YAC所求的“膝”区单成分能谱，完成了对“尖锐膝”成因的解释工作，以及宇宙线正电子“超出”与“尖锐膝”的自洽性讨论。其中，扩散激波加速模型（Model A）预期太阳系附近存在着“邻近宇宙线源”,且“膝”区是以比氦核更重的核为主要成分。非线性扩散激波加速模型（Model B）认为“尖锐膝”结构主要是由铁核的非线性效应造成。并且我们发现Model A预言的正电子能谱与DAMPE的正电子能谱结果更吻合，也就是说，邻近源模型可以更加自洽地解释宇宙线正电子“超出”与“尖锐膝”的关系。. 通过本项目的实施，本项目首次将AMS-02,DAMPE等实验观测到的低能部分各单成分能谱和新升级的ASγ实验最新观测到的“膝”区质子谱、氦谱和铁谱联系起来，利用扩散激波加速理论和非线性扩散激波加速理论，对“尖锐膝”结构的成因进行解释，并进一步预期模型下星际空间产生的正电子能谱的特征，从而获得关于宇宙线源、传播环境及可能的暗物质信号的相关信息。