PeV能区宇宙线各向异性的研究

The observation of the cosmic ray anisotropy is a powerful approach to investigate the cosmic ray propagation, which is one of the fundamental problems of cosmic rays. The anisotropy in TeV energy may be related to the cosmic ray modulation by the local magnetic field in the solar vicinity, while the anisotropy in PeV energy should not be affected by the local magnetic field. The observation of PeV anisotropy is a fundamental way to study the global propagation of Galactic cosmic rays. According to the observation by Tibet ASγ experiment, the topological structure and the amplitude of the large scale anisotropy appears a sudden change from 100TeV to 300TeV in the northern sky. In the southern sky, the anisotropy from 400TeV to 5.4PeV has been measured by Icecube and Icetop experiment in the southern hemisphere. The observations are consistent with each other in the overlapped sky and energy ranges. However both experiments are not able to accurately measure the anisotropy at PeV energy. Full LHAASO array will cover an area of 1 km2 with the efficient identification ability of primary particles, and the first quarter will be completed in 2018. This proposal suggests the most precise study on the cosmic ray anisotropy at PeV energy, as well as the first study on anisotropy of different primary nuclei with the first quarter of LHAASO.

宇宙线各向异性的观测是研究宇宙线传播这一基本问题的重要手段。TeV能区各向异性可能与太阳系本地磁场对宇宙线的调制有关，而PeV能区各向异性应与太阳系磁场无关，是研究银河宇宙线全局传播更为根本的方法。从我们目前的中日ASγ实验测量结果来看，在100TeV到300TeV能量间，北半球的宇宙线大尺度各向异性的空间分布和幅度都出现了突然的变化。南半球的Icecube、Icetop实验测量了南天区400TeV-5.4PeV能区的宇宙线各向异性。两个实验在共同覆盖的天区和能区里结果一致, 因统计量限制，两个实验都无法精确测量PeV能区的宇宙线各向异性。LHAASO阵列覆盖1平方公里的面积，拥有鉴别原初宇宙线粒子的能力，1/4阵列预计将在2018年建成。本项目建议利用这1/4阵列，在PeV能区开展国际最高精度的宇宙线各向异性研究，也将在国际上首次开展不同成分宇宙线粒子的各向异性研究。

宇宙线各向异性的幅度和相位在100TeV以上发生了突然的变化。对100TeV到1PeV能段各向异性的测量，是研究银河宇宙线起源和传播问题的重要手段。本项目完成的主要工作有：1）利用LHAASO-KM2A的1/2阵列和羊八井AS伽马实验成功得到了精度最高的北半球300TeV和1PeV能区的宇宙线各向异性。与ICETOP实验联合分析，发现各向异性在银心方向有显著的超出。宇宙线的加速源例如超新星遗迹，都是分布在银盘面上。对于太阳系的观察者来说，宇宙线源是集中在银心方向。银心方向的超出，是银盘面源扩散的自然结果，预示着PeV能区宇宙线是河内起源的。2）在TeV能段，本项目分析了WCDA的数据，观测到预期的“tail-in”超出和“loss-cone”缺失。结合KM2A数据，我们得到了2TeV到1PeV这么大能段各向异性的能量依赖关系，加深了对宇宙线传播的理解，有效限制了各向异性的模型。3）我们发展了能量重建方法，构建了宇宙线成分鉴别参数，得到了轻核和重核两个样本的各向异性天图。4）项目组利用宇宙线各向异性的分析方法，对类伽马的样本进行了分析，得到了小尺度的伽马各向异性。在一颗中等年龄（约21万年）脉冲星PSR J0622+3749周围发现迄今为止第三例伽马辐射延展晕现象，并首次探测到此类延展晕100TeV以上的辐射。形态上的观测结果揭示中等年龄脉冲星周围慢扩散现象是普遍存在的，这个结果对于理解宇宙线传播和星际介质性质具有重要的意义。