TeV能区宇宙线各向异性的观测和研究

羊八井拥有国际上现存不多的长期稳定运行的宇宙线观测阵列，最适合研究宇宙线各向异性。我们利用ASγ实验在TeV能区观测到了国际上最高精度的宇宙线两维各向异性，发表在2006年《科学》上。在此基础上，本项目拟引入WMAP的分析方法研究各向异性在不同尺度上的幅度分布，并讨论在不同尺度上各向异性结构的相关性，以及与原初粒子能量的关系，进而建立理论模型讨论宇宙线粒子流与银河系磁场的相互关联。我们观测到了太阳时的各向异性，并发现一个幅度为0.04%呈现倾斜结构的额外效应。本项目将首次对此额外效应深入分析，结合ARGO和ASγ实验各自的观测，相互验证，是对此效应最严谨的验证。该效应可能是太阳风引起的地磁场日变化对探测效率的调制造成的，本项目拟用数值模拟的方法，定量估计地磁场变化造成的各向异性。总之，本项目把各向异性与太阳风、地磁场和银河系磁场等相联系，将对TeV能区宇宙线各向异性做出领先和最全面的研究。

羊八井ASγ实验在TeV能区观测到了北半球最高精度的宇宙线两维各向异性，最近位于南极的ICECUBE实验在20TeV和400TeV能区观测到了南半球的两维宇宙线各向异性。在这个背景下，本项目围绕宇宙线各向异性从实验数据的进一步分析，唯象理论的发展和实验方法的改进这三方面展开。在物理分析方面，利用羊八井ASγ和ARGO实验累积的数据，分析了各向异性在不同尺度、不同能量的演化。在百GeV到1PeV这个大的能量区间分析了宇宙线各向异性的幅度和相位随能量的变化。发现各向异性的幅度在百TeV能区呈现了结构。分析了300TeV能区的样本, 改进了事例重建，优化了不同能段样本的能量分辨，发现了一个接近5倍显著性的新成分。在实验方法改进方面，本项目组参与了羊八井ASγ实验的升级改造, 负责了其中900平米地下缪子探测器的数据采集，探测器已经稳定运行。我们改进了标定方法，利用时间游离效应可以在TDC精度不高的情况下提高电缆中传输时间的标定精度。这些工作为研究百TeV以上电子和伽玛的各向异性做好了准备。在唯像理论方面，我们创新性地把太阳系观测到的各向异性推广到全银河系。在这种图像下，银河系宇宙线有一个垂直于银盘向两极的运动和一个沿着旋臂向银心的运动。而大量宇宙线等离子粒子的整体运动会产生电流，从而产生大尺度的磁场。根据这个图像数值计算得到的磁场与观测到的银河系晕磁场的结构相同。