高能宇宙线起源和传播的多信使研究

High energy cosmic ray (CR) astrophysics is one of the frontiers in high energy astrophysics, and the discipline of particle physics and astrophysics. In this project we will study the origin and propagation of high energy CRs using the latest or up-coming observational results of multi-messenger approaches. The issues will be investigated in the project include the following. As for the Galactic originated CRs, (1) we study the feature of the secondary electron re-emission, in order to search for the evidence of CR existence; and (2) we investigate whether the IceCube detected TeV neutrinos can be contributed by Galactic CR propagation, and then further investigate the the physics of the propagation. As for extra-galactic CRs, (3) using the updated results of the measurements of redshift and luminosity distributions of gamma-ray bursts and blazars, and their upper limits in stacking searches of neutrino signals, we will analyze their contributions to the diffuse neutrino flux, and constrain their efficiency of CR and neutrino productions; and (4) we investigate the features of ultra-high energy neutrinos produced by the propagation of ultra-high energy CRs in the inter-galactic space, with the emphasize of the effect from neutral pions on the neutrino spectrum and flux.

高能宇宙线研究是当前高能天体物理的前沿学科，也是粒子物理与天体物理相交叉的领域。本项目将就高能宇宙线的起源和传播的物理进行研究，并强调运用多信使研究的手段，针对最新的观测或可见将来的观测进行理论研究。本项目具体研究的内容包括：针对河内宇宙线的起源问题，（1） 我们研究超新星遗迹中次级电子的辐射特征，由此寻找宇宙线存在证据；（2）研究IceCube探测的TeV中微子是否有河内宇宙线传播过程的贡献，乃至研究宇宙线河内传播的过程；对于河外宇宙线起源，（3） 我们利用最新的对伽玛射线暴和耀变体等的红移和光度分布观测结果，以及中微子观测上限，研究其中的宇宙线产生和中微子辐射效率；（4） 我们研究高能宇宙线在星系际空间传播中产生的可观测的极高能中微子辐射特征，侧重于中性pion介子对能谱和流量的影响。

当前由于引力波和高能中微子的探测发现，已经进入了多信使天文时代。围绕高能宇宙线和中微子起源和传播，我们研究了超新星遗迹中宇宙线导致的次级电子的辐射，指出其在硬X射线或毫米波辐射的特征，作为宇宙线加速的证据；研究了超新星激波突围星周物质过程的宇宙线加速和高能光子与中微子产生，提出这是宇宙TeV-PeV弥散中微子的可能产生机制，并指出邻近此类超新星高能光子辐射的探测可能；利用中微子探测对LHAASO新发现的派电子伏加速器候选体中的强子成分进行限制，指出蟹状星云的伽玛射线辐射机制不是强子过程主导；此外，提出了一种潮汐瓦解事件中外流-云团碰撞产生中微子的新机制，也利用伽玛射线探测限制了耀变体对弥散中微子的贡献，研究了极高能宇宙线传播中由中性派介子导致的中微子的观测特征。另外，由于引力波事件电磁对应体的探测发现，我们研究了双中子星合并事件中激波产生的非热电磁辐射成分，以及黑洞-中子星合并事件中丰中子抛射物的热辐射的特征、光度函数以及探测率。