宇宙线天体物理中的几个重要问题

宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子流，研究宇宙线的起源、加速、传播机制及其所涉及的天体物理和宇宙学过程是宇宙线天体物理研究的重要内容。本文介绍并讨论其中几个涉及物理学一些基本问题的重要课题的研究现状及前景，其中包括极高能宇宙线的观测研究，太阳中微子能谱的实时测量，宇宙线中新粒子的搜寻等。     

宇宙线和高能天体物理

羊八井中日合作二期阵列在1997-1998年最有意义的实验结果主要来自于把探测阈能降低到～3TeV的局部加密阵列部分。例如,在活动星系核MrK 501在1997年3月到8月变得比蟹状星云还亮很多的甚高能γ射线爆发期间，羊八井加密阵列与国际上七个大型契仑可夫望远镜一道看到了这个过程，而且是其中唯一有较完整的时变曲线的一家。同时，对蟹状星云的观测数据也显示在3TeV附近存在～4σ的γ流超出，而在10TeV则未观测到有统计意义的超出(最终结果将在1999年发表)。     

近年的宇宙线物理研究

本文在介绍宇宙线物理研究的一般情况之后，侧重介绍近年来对超高能粒子物理、甚高能和超高能的宇宙γ源、宇宙中微子和宇宙暗物质的研究情况．     

揭秘宇宙线起源：LHAASO的使命、挑战与展望

高海拔宇宙线观测站(LHAASO)是人类研究宇宙线最大的实验装置之一,其核心科学目标是寻找宇宙线的起源,不但要探测超高能伽马射线源,也致力于精确测量地球附近带电宇宙线的成分和能谱,系统地研究宇宙线的加速过程及传播机制。从发现12个超高能伽马源(标志着超高能伽马天文学领域的开启),到第一个星表的发布(展现出银河系丰富多彩的宇宙线加速源的候选天体),LHAASO已经为发现宇宙线起源奠定了良好的基础。此外,这些成果为后续的宇宙线加速机理和传播效应的研究指明了方向,同时也为现有理论与模型提供了精确检验的机会与挑战。文章概述了LHAASO项目的开展背景、望远镜主要结构及其在宇宙线物理学中的重大意义,并对其未来的研究方向进行了展望。     

宇宙线天体物理研究进展

由于天体粒子物理涉及的研究领域太宽,本文拟以宇宙线总的能谱特征为线索,分段介绍各能区的研究前沿,总结有关宇宙线的起源、传播和成分的理论模型和相应的观测实验进展,并简要介绍相关的高能领域,例如γ暴(GRB),中微子,暗物质,超对称(SUSY),大统一理论(GUT)。这些理论在某种程度上暗示着极高能宇宙线的产生机制,并可能意味着需要新的超出标准粒子物理模型的理论来解释GZK截断(GZK Cutoff)的疑难问题。对高能天体物理的研究可以拓宽人类对早期宇宙的认识,为新物理理论模型提供检验的证据,为人类认识自然提供了另一扇窗口。     

宇宙线天体物理研究进展

由于天体粒子物理涉及的研究领域太宽,本文拟以宇宙线总的能谱特征为线索,分段介绍各能区的研究前沿,总结有关宇宙线的起源、传播和成分的理论模型和相应的观测实验进展,并简要介绍相关的高能领域,例如γ暴(GRB),中微子,暗物质,超对称(SUSY),大统一理论(GUT)。这些理论在某种程度上暗示着极高能宇宙线的产生机制,并可能意味着需要新的超出标准粒子物理模型的理论来解释GZK截断(GZK Cutoff)的疑难问题。对高能天体物理的研究可以拓宽人类对早期宇宙的认识,为新物理理论模型提供检验的证据,为人类认识自然提供了另一扇窗口。     

大气宇宙线中的高能γ线与强子

用中、日合作设置在甘巴拉山(海拔5500米,大气深度520g/cm²上的部分K6和K7厚铅乳胶室,研究了观测能量为10—50TeV的大气宇宙线中的高能γ线与强子.给出了它们的垂向流强、积分能谱、天顶角分布及其在大气中的衰减长度.将所得结果与过去的同类结果进行了比较.     

γ射线爆的研究进展—20世纪天体物理第三次大辩论

γ射线爆的研究已经历了２０余年，无论观测上或者理论上，均已积累了大量的数据和资料，构思了不少想法和模型，然而，１９９１年ＣＯＭＰＴＯＮ ＧＲＯ天文卫星上天以后，一系列的观测结果将这个领域推向空前激动人心的前沿，矛盾十分突出，几乎要求从头重新研究，对γ射线爆的时间特征，能谱性质，辐射区物理，空间分布等方面，进行了分析和讨论，阐述了近年来的研究进展，指出了存在的主要问题以及这个领域研究的重要意义。     

原子核天体物理简介

文章对原子核天体物理这一门重要交叉学科作了简单的介绍,并以一批获得诺贝尔物理奖的成果为线索,重点描述了大爆炸宇宙学、太阳中微子、恒星演化及其终点以及原子核物理与元素的起源等方面的进展与挑战。     

原子核天体物理简介*

文章对原子核天体物理这一门重要交叉学科作了简单的介绍,并以一批获得诺贝尔物理奖的成果为线索,重点描述了大爆炸宇宙学、太阳中微子、恒星演化及其终点以及原子核物理与元素的起源等方面的进展与挑战。     

二、粒子天体物理

中日合作ASγ-III期数据的分析工作在γ源，γ暴寻找以及太阳中子等多个方面全面展开并完成了既定的工作安排，代表合作组向ICRC2003提交了5篇论文(做为比较，日方有11篇)，另有一篇以个人名义提交的文章。     

超高能伽马射线的天体物理起源

中国大科学装置之一的高海拔宇宙线观测站开创了超高能伽马射线天文学的新时代,至今已作出多项重要的科学发现,为人们破解银河系宇宙线起源之谜带来了关键线索,并为研究极端天体中的极端物理过程提供了独特的探针。文章主要介绍其探测到的超高能伽马射线源,以及相关天体的物理图像。     

寻找超高能宇宙线源——西藏广延空气簇射实验

总结了１９９０年６月到１９９３年１０月期间西藏空气簇射阵列的观测结果。寻找了来自于蟹状星云、Ｘ射线双星、脉冲星、活动星系核和其它活动天体的能量为１０ＴｅＶγ射线连续发射，没有发现连续稳定发射的迹象，但给出了每个源的流强上限。在阵列所观测的天区寻找了１０ＴｅＶ的γ暴，结果没有发现能量１０ＴｅＶ的γ暴，最后也给出了发现此种γ暴的上限。应用该阵列，明显地观测到了能量为１０ＴｅＶ的宇宙线流强的太阳和月亮阴影。观测了朝向和远离太阳的行星际空间磁场对宇宙线阴影的影响，这是行星际磁场对阴影位移影响的第一次直接观测。研究并发现在实验期间，太阳阴影的位置每年都在变化。同时观测在此期间，朝向和远离方向的宇宙线阴影的不同变化。另外，应用该实验的数据，给出了所谓的“膝”区的原初宇宙线能谱。     

寻找超高能宇宙线源——西藏广延空气簇射实验

总结了１９９０年６月到１９９３年１０月期间西藏空气簇射阵列的观测结果。寻找了来自于蟹状星云、Ｘ射线双星、脉冲星、活动星系核和其它活动天体的能量为１０ＴｅＶγ射线连续发射,没有发现连续稳定发射的迹象,但给出了每个源的流强上限。在阵列所观测的天区寻找了１０ＴｅＶ的γ暴,结果没有发现能量１０ＴｅＶ的γ暴,最后也给出了发现此种γ暴的上限。应用该阵列,明显地观测到了能量为１０ＴｅＶ的宇宙线流强的太阳和月亮阴影。观测了朝向和远离太阳的行星际空间磁场对宇宙线阴影的影响,这是行星际磁场对阴影位移影响的第一次直接观测。研究并发现在实验期间,太阳阴影的位置每年都在变化。同时观测在此期间,朝向和远离方向的宇宙线阴影的不同变化。另外,应用该实验的数据,给出了所谓的“膝”区的原初宇宙线能谱。     

L3C宇宙线实验中Z0数据的分析

μ子动量谱的精确测量是L3C宇宙线实验最重要的目标之一.事例重建的好坏是该测量的关键,而能量确定的衰变为双μ子的事例是检验重建程序的最好手段.该数据分析利用在2000年中获取的数据作为样本,筛选出了LEP在2000年4月、5月、8月和9月等Z⁰能量运行期间L3C宇宙线实验数据中记录的Z⁰→μ⁺μ^－事例数据,得到通过重建程序后动量为45GeV的μ子动量分辨率为(5.4?7±0.25)%.     

宇宙线研究进展评述与展望

近年来,宇宙线探测技术发展迅速,天基和地基宇宙线实验均取得了多项重要成果,打破了宇宙线研究领域多年来的沉寂．多手段复合观测是精确测量宇宙线能谱和成分的必要途径,甚高能伽玛射线天文学成为探索宇宙线起源这一世纪之谜的最有效手段．高海拔宇宙线观测站(LHAASO)计划将以最高的超高能伽玛射线探测灵敏度和甚高能伽玛射线巡天灵敏度以及最宽的宇宙线能量覆盖范围探索领域的基本问题．