空气簇射轴芯探测器阵列和邻近宇宙线源的探索

我们曾用西藏羊八井 ASγ阵列测得了10^14到10^17eV的宇宙线全粒子谱.在4X10^15eV 附近,高精度地显现了一个尖锐的膝。初步分析表明,这个鼓包具有太阳系邻近源的能谱特征,亟需进一步的实验证据予以阐明。我们又曾用羊八井大气簇射轴芯探测器EC、BD和ASγ的联合实验,初步测得了5x10^14eV 到10^16eV 的原初质子和氦核的能谱,方法有效,但统计量不够。本项目拟采用已成功使用的研究路径和分析方法,建造124台新型的大气簇射轴芯探测器YAC,构成阵列,和已有的ASγ及在建的MD联合运行三年,率先测得高精度的5x10^13-10^16eV 的原初质子谱和氦核谱,测出它们的膝位置,并率先测量鼓包区宇宙线的成分分布。这两项测量可回答膝区鼓包是否由太阳系邻近的SNR源产生,可判断各成分能谱的拐折是依赖于Z或A或是其它，将对膝区宇宙线天体物理起源作出领先的、重要的贡献。

我们曾利用ASγ实验数据，求得宇宙线全粒子谱，发现在4 PeV 附近高精度地显现了一个尖锐膝，该尖锐膝具有太阳系邻近宇宙线源的能谱特征。为进一步阐明尖锐膝成因，本项目组开发研制了＂芯＂探测器（YAC）,2011年开始在羊八井建成124台YAC阵列（YAC-II：500平方米），和已有的ASγ表面阵列（50000平方米）及新建成的地下Muon 探测器阵列（4500平方米）组成联合运行的复合式阵列，于2014年3月开始联合取数，主要目标是精确测量膝区原初质子谱和氦谱。项目执行期间，我们利用Geant4 完成了3大复合式阵列蒙卡全模拟（4种强子作用模型及3种原初宇宙线成分模型，计12种蒙卡模型组合），详细评估了实验的性能及系统误差，给出所求能谱的总系统误差小于30%的结果。该结果显示 YAC 实验求出的50TeV-10 PeV 原初质子谱和氦谱的系统误差是目前地面阵列实验中最小的，该能谱将可与直接观测实验（如气球，卫星实验 ）很好衔接,该论文已在 Astroparticle Physics (2015)上发表。我们还详细评估YAC 阵列实验的灵敏度，发现原初质子，氦的分离精度可达95%,对铁的分离精度达80%，在膝区能量决定精度达 12%，是目前正在运行中最灵敏的研究“膝”区宇宙线成分的实验。该论文已在英国的Journal of Physics 发表，被审稿人推选为 J.Phys 优秀投稿论文，并被邀请撰写关于 YAC 实验的（“LabTalk” news），并在J.Phys 官方网站(http://iopscience.iop.org)作为优秀论文向全世界展示。我们还利用YAC-I实验求出50TeV-1000TeV 的原初质子谱和氦谱，率先发现(P+He)谱的拐折大约在400TeV左右，下一步我们将利用 YAC-II实验以最高精度测得50TeV-10PeV 的原初质子谱，氦谱和铁谱,并判断各单成分能谱的拐折（最大加速能量）是依赖于Z或A或其他，将有望回答尖锐“膝”是否由太阳系邻近源产生等问题。上述结果将对“膝”区宇宙线天体物理起源作出领先的、重要的贡献。本项目执行期项目负责人（黄晶）已连续4次被邀请在国际会议上做大会特邀报告或高亮点报告（见附件）。以上足已证明：本项目（YAC 实验）已在“膝”区宇宙线研究最前沿领域占据了国际领先的地位，是一个非常成功的地面宇宙线实验。