利用西藏羊八井ARGO实验研究宇宙线与大气电场的关联

宇宙线由于受到太阳活动调制其强度发生变化，这可能导致地球天气和气候的变化，对此重大问题需要进行深入研究。大气电场变化可以提供天气和环境等变化的重要信息，是一个重要的气象参量，本项目旨在利用西藏羊八井ARGO实验研究宇宙线与大气电场的关联，期望为上述问题的解决提供重要线索。通过测量宇宙线福布什下降期间西藏羊八井大气电场的变化来研究宇宙线对青藏高原局域大气电场的影响；利用大气电场来记录发生在羊八井的雷暴事件，通过ARGO实验的宇宙线计数数据寻找雷暴期间宇宙线强度的变化，特别是这种宇宙线变化与闪电的相互关系，来讨论大气电场对宇宙线在地球大气中的相互作用及传播过程的影响，分析宇宙线在闪电形成中的作用；考虑大气电场的影响，利用蒙特卡罗方法模拟计算大气中的宇宙线次级带电粒子在羊八井的分布，比较模拟和实验观测结果，为讨论分析大气电场、雷暴闪电和宇宙线相互影响的可能物理机制提供基本信息。

在国家自然科学基金的支持下，我们在有关雷暴期间大气电场与地面宇宙线计数率关联方面做了一些工作，在国内外学术刊物和国际会议上共发表了13篇学术文章。利用西藏羊八井宇宙线观测站全覆盖阵列ARGO-YBJ实验统计了2011年和2012年夏季雷暴期间，大气电场对EAS次级粒子计数率变化的影响，并给出了两者之间的相关性。结果显示大气电场剧烈变化期间，宇宙线广延空气簇射（EAS）次级粒子计数率有显著的变化。能量较低的低多重数模式（scaler模式）下的n=1和n=2两道宇宙线计数率，在大气电场剧烈变化时有显著上升；n≥4道计数率和shower模式记录的n≥20的计数率在雷暴期间大气电场剧烈变化时具有明显下降。对宇宙线粒子在空气中的相互作用和传播过程进行了全蒙特卡罗模拟，在模拟过程中主要计算和考虑不同大气电场分布对宇宙线广延空气簇射次级粒子的影响。模拟计算结果显示，在400-600V/cm电场范围内，宇宙线EAS次级粒子中正负电子数目变化与原初宇宙线粒子能量有关。宇宙线原初粒子能量小于80GeV时，宇宙线EAS次级粒子中正负电子数目增加；能量小于80-120GeV时，次级粒子中正负电子数目无明显变化；能量大于120GeV时，次级粒子中正负电子数目减少。这些结果合理地解释了ARGO实验关于大气电场剧烈变化的雷暴期间宇宙线次级粒子计数率的观测现象。宇宙线时间变化方面，太阳磁场对宇宙线具有重要调制效应。利用国际开放的太阳磁场数据分析发现在太阳活动极大期间，太阳磁场27天周期最为显著，太阳活动极小期间13.5天周期最为显著。为将来利用LHAASO实验进一步详细观测研究雷暴期间宇宙线的变化和探讨变化的物理机制，我们对天体物理中的高能伽马射线辐射机制进行了研究。就LHAASO对AGN探测的数目做了估计，并且给出了一些AGN的能谱和光变曲线的预测，还利用这些预测的能谱对河外背景光（EBL）的强度做出了限制。这些结果已被国内外相关领域学者关注和引用，对相关领域的研究产生了一定推动作用。在人才培养方面，7位同学获得了硕士学位。