利用西藏羊八井ASγ和ARGO-YBJ实验研究银河宇宙线的起源、加速和传播

1912年Vector Hess发现了宇宙线，近百年的宇宙线研究极大的推动了粒子物理学、天体物理学的发展，但迄今为止银河宇宙线的起源、加速和传播问题依然没有得到解决。本项目拟充分发挥西藏羊八井在宇宙线观测研究中得天独厚的地理优势，利用即将升级完成的ASγ实验（2010年已完成4500m^2的底下μ子探测器，是目前国际上10TeV以上能区γ天文最灵敏的探测器；2011年即将建成羊八井空气簇射轴芯探测器二期，其目标是精确测量原初宇宙线"膝"区质子、氦核谱）和自2006年7月以来一直稳定运行的中意合作ARGO-YBJ实验，通过甚高能γ点源、弥散源、原初宇宙线"膝"区单成分能谱以及从几十GeV到几百TeV能量范围内的宇宙线大尺度各向异性等的测量，尝试回答银河宇宙线的起源、加速和传播问题，同时，结合国内外相关实验结果开展这些问题的唯象理论研究。

宇宙线起源、加速和传播被称为“物理学”世纪之谜，诸多空间、气球实验和地面阵列对这一问题进行了长期探索，这一问题的研究最近几年取得了一些观测进展，重大进展是Fermi实验和AGILE实验联合观测发现超新星遗迹W44和IC443在60MeV—100GeV发射的伽马射线起源为宇宙线强子。.本项目主要基于西藏羊八井中日合作ASγ实验和中意合作ARGO-YBJ实验，围绕“银河宇宙线起源、加速和传播”这一核心问题进行一些探索研究，开展的工作包括ASγ实验的升级改造，ARGO-YBJ实验的数据分析，相关物理的计算机全蒙特卡洛模拟，LHAASO项目预先研究前期工作。主要研究内容为：ARGO-YBJ 实验得到了3–300 TeV能量范围的轻核(P、He) 原初宇宙线能谱，跟高空气球实验CREAM 数据实现了一致对接；计算机模拟结果表明不同原子核切伦科夫光的时间和横向分布信息对“膝区”宇宙线成分的非常敏感，适合鉴别宇宙线成分；利用ARGO-YBJ实验大动态范围优势获得了~1-30TeV宇宙线大尺度各向异性能量依赖和周期分布特征，以及对尺度在0.1%量级相对强度进行分析时，由分析方法带来的误差影响；对Fermi观测的~130GeV伽玛线状谱的地面阵列观测的可能性进行了细致研究，模拟计算了下一代地面切伦科夫望远镜阵列对~130GeV线状谱观测的显著性；在项目实施的过程中增加了更高海拔（>5km）宇宙线观测站选址，更高海拔水切伦科夫探测器防冻实验和计算机蒙特卡洛模拟了5.2km海拔大面积水切伦科夫探测器对数十GeV至数百TeV能区伽马天文的有效面积、角分辨和灵敏度，更高海拔利用水切伦科夫单粒子计数方法探测伽马暴高能辐射模拟研究，超广角水透镜切伦科夫望远镜样机研制和符合测量宇宙线等。